侧压竹集成材长期受压性能试验研究

汤春安，陈伯望

(中南林业科技大学 土木工程学院，长沙 410004)

人类历史是以一种螺旋式的形式前进的，在全世界关注绿色发展的今天，竹材作为一种环保的绿色材又一次进入了现代建筑师和结构工程师的视野，国内外对竹结构的研究也越来越多[1]﹒诸多国际会议的召开与交流，为竹结构的发展提供了难得的机会﹒肖岩等[2-4]对胶合竹材料的基本力学性能、抗震设计方法、构造处理、建造方法等关键技术进行了分析研究；李磊[5]对现代新型胶合竹材料蠕变性能及组合结构蠕变进行研究，得到了胶合竹的轴向拉压蠕变-时间曲线，并建立其本构模型；吴培增[6]通过抗压、抗拉试验，对重组竹的物理力学性质及其破坏形态进行了研究，并在其基础上开展了蠕变试验研究﹒整体来讲，国内外学者对竹集成材的研究还较少，且主要研究的是重组竹集成材，对于侧压竹集成材的研究更少﹒因此，在此背景下，本文对侧压竹集成材的长期受压性能开展了试验研究﹒

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验采用的是一种由竹片经胶合压制而成的侧压竹集成材，它的生产工艺主要包括8 个步骤：竹竿破解成竹片→碳化→竹片分选→精铣→配片→单板热压→复合→成型加工﹒试验材料由湖南风河竹木科技股份有限公司生产加工制作完成﹒本文主要研究侧压竹柱的长期受压性能，并 对试验结果参考美国ASTM 规范[7]进行验证﹒

1.2 试件设计

本试验的材料均来自于同一批试件，试件的截面尺寸为50 mm×50 mm，高度为200 mm，如图1 所示﹒为了能精确地得到侧压竹长期受压的变形值，定制了专门固定百分表的夹具，而每个试件都配备2 个夹具，固定2 个百分表，最后变形值取2 个百分表的平均值，使试验数据更加精确﹒图2 为固定了百分表的试件﹒国内目前还没有侧压竹集成材力学性能的规范和标准，因此本试验参考木材物理力学性能试验方法﹒按照《木结构试验方法标准》(GB/T 50329-2012)[8]，得该批侧压竹的顺纹抗压强度平均值为47.3 MPa，抗压弹性模量为9 194.4 MPa，含水率为6.3%，密度(含水率为6.3%时的气干密度)为0.640 g/cm3﹒

图1 试件尺寸

图2 固定百分表试件

1.3 试验方法

为了保证加载的方便和试验数据的准确性，本试验采用单个试件加载，分3 组，每组加载不同的应力水平，分别是顺纹抗压强度的20%，40%和60%(应力比分别为0.2，0.4 和0.6)，见表1﹒

表1 加载方案

试验装置采用徐变仪﹒待试件安装好后，先开始预加载，把荷载预加载到相应应力水平的20%进行对中﹒2 个百分表的变形差值不能超过平均值的10%，假若超出此值，则应重新调整试件位置，直到符合要求，并记录百分表的数值，此数据即为试件受到此荷载下的初始变形值﹒试验过程中应保持荷载恒定，若出现卸载情况，应及时将荷载补齐；加载过程应采取安全措施，防止荷载过大使试件外弹，伤害人员和损坏设备﹒试验数据记录采用人工读数，由于早期变形较大，第1 个月每天采集2 次数据，以后每天采集1 次数据，直至数据稳定，并记录好试验场地的温度和湿度情况﹒该试验共观测200 d﹒试验加载装置见图3﹒

图3 试验加载装置

2 试验结果及分析

该试验在中南林业科技大学的结构实验室完成﹒其间，对3 组压缩试件进行了为期200 d(经历了夏、秋、冬3 个季节)的观测，对试验过程的湿度和温度全程进行了记录，每组试件的压缩变形值取2 个百分表的平均值﹒图4～图6 分别为相同时间坐标轴下的变形、温度和湿度变化曲线﹒

图4 变形-时间曲线

图5 温度-时间曲线

从图4 可以看出，轴向压缩蠕变的变形-时间曲线明显呈现出瞬态蠕变和稳态蠕变2 个阶段，且在不同应力水平荷载作用下，试件的变形曲线的发展趋势基本一致，符合经典蠕变曲线的蠕变 发展规律﹒在20%的应力水平下，蠕变变形约7 d就达到稳定；在40%应力水平作用下，蠕变变形约30 d 趋于稳定；在60%应力水平作用下，试件瞬态蠕变阶段变形很快，且在稳态蠕变阶段也难以趋于稳定﹒因此，侧压竹集成材在＜0.4 倍应力水平作用下变形稳定，在＞0.4 倍应力水平作用下变形难以稳定，在工程应用中应避免长期高应力水平﹒由图5 和图6 可知，温度和湿度对侧压竹蠕变行为是有影响的，如从85～100 d，以及140～150 d，温度急剧下降，侧压竹在高应力水平作用下，表现出明显的压缩变形波动，这是由于温度降低，材料含水率发生改变且呈现热涨冷缩的现象﹒因此，在高应力水平作用下，侧压竹集成材受到环境的影响较大﹒

图6 湿度-时间曲线

由于中国木结构相关规范没有对木材蠕变性能进行相关规定，竹结构材料也没有规范依据，所以本文参考美国ASTM 规范[7]进行蠕变数据验证﹒根据ASTM D6815-02a 的规定，蠕变应满足：

式中：iD 是初始弹性蠕变；30D ，60D ，90D 和 200D分别是第30，60，90 和200 d 的蠕变变形；1F 是第90 d 的蠕变系数；2F 是第200 d 的蠕变系数﹒ 试验得到的数据如表2 所示﹒从表2 可以看出，数据结果在90 d 内均满足规范要求；随着试验时间的增长，在20%和40%应力水平作用下，试件基本能趋于稳定，而在60%应力水平作用下，试件变形不收敛、不稳定，其总变形值与初始变形值之比＞2﹒这表明，本实验在＜0.4 倍应力水平作用下得到的试验结果可靠，可作为侧压竹集成材柱长期受压持续荷载取值的参考﹒

表2 蠕变数据

3 结论

1)侧压竹集成材轴向压缩蠕变的变形-时间曲线明显呈现出瞬态蠕变和稳态蠕变2 个阶段，且在不同应力水平荷载作用下，试件的变形曲线发展趋势基本一致，符合经典蠕变曲线﹒

2)在＜0.4 倍应力水平作用下，蠕变变形能快速趋于稳定；在＞0.4 倍应力水平作用下，试件瞬态蠕变阶段变形很快，且在稳态蠕变阶段也难以趋于稳定﹒

3)温度和湿度对侧压竹集成材蠕变行为的影响与应力比有关，在低应力水平作用下几乎没有影响；在＞0.4 倍应力水平作用下，表现明显的变形波动﹒