毛竹圓竹力學(xué)性能的研究

張 丹，王 戈，張文福，程海濤

毛竹圓竹力學(xué)性能的研究

張 丹，王 戈，張文福，程海濤

(國際竹藤中心，北京 100102)

以毛竹圓竹為研究對象，研究其力學(xué)性能的變異規(guī)律。結(jié)果表明：以圓竹為測試單元毛竹各項(xiàng)性能測試結(jié)果不同于以竹片為測試單元測得的結(jié)果，但是毛竹圓竹的各項(xiàng)力學(xué)性能在竹齡、竹稈部位上的變異規(guī)律和竹片力學(xué)性能的變異規(guī)律相似。隨竹稈高度的增加，其縱向抗壓強(qiáng)度、縱向抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均呈增大趨勢；4年生毛竹的力學(xué)性能總體優(yōu)于6年生毛竹。

毛竹；圓竹；竹片；力學(xué)性能

竹材是一種重要的森林資源，隨著竹材加工技術(shù)的發(fā)展，竹材在建筑行業(yè)的利用越來越廣泛，以竹代木成為解決目前木材資源匱乏的最佳途徑[1]。毛竹分布自秦嶺、漢水流域至長江流域以南和臺灣省，黃河流域也多處有栽培，是我國分布面積最大，用途最廣，經(jīng)濟(jì)效益最佳，生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)的竹種，也是我國最主要的材用竹種[2]。力學(xué)性質(zhì)是竹材基本的材性指標(biāo)，也是衡量竹材質(zhì)量的重要指標(biāo)，深入了解竹材的力學(xué)性能，對充分合理利用竹材資源具有十分重要的意義。

目前，對竹材力學(xué)性能的研究測試多是以竹片作為測試單元，探討竹齡、竹稈部位、方向等對竹材物理力學(xué)性質(zhì)的影響[3-7]，在現(xiàn)代竹木建筑中，圓竹經(jīng)常通過巧妙的連接件、加強(qiáng)箍等方式被用作當(dāng)立柱、簡支梁、樁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件[8]，作為此種結(jié)構(gòu)構(gòu)件圓竹力學(xué)性能的研究顯得尤為重要。但目前僅部分國內(nèi)外學(xué)者對圓竹用于建筑領(lǐng)域的抗彎、抗剪、抗壓等力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究[9-12]，且對圓竹的物理力學(xué)性能測試國內(nèi)還沒有相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對毛竹圓竹的力學(xué)性能進(jìn)行測試，與毛竹竹片的力學(xué)性能測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析，同時，分析了毛竹圓竹在竹齡、竹稈部位的力學(xué)性能變異規(guī)律，以期為圓竹的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

毛竹Phyllostachys pubescens于2011年10月下旬，采集于江西資溪。竹齡為4年生和6年生，從胸高直徑100 mm以上，不少于100株的樣竹中，分散選取有代表性、無缺陷竹子。每株從離地約30 mm的整竹節(jié)處，向上截取3段約3 m長的圓竹作為試材，分為上、中、下3部分，并氣干待用，含水率約為12﹪～18﹪。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 15780-1995[13]，對毛竹竹片的物理力學(xué)性能進(jìn)行測試；依據(jù)ISO 22157-1:2004 (E) 和ISO 22157-2:2004(E)，對圓竹的力學(xué)性能進(jìn)行測試。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

力 學(xué) 試 驗(yàn) 機(jī)（INSTRON-5582）、 濟(jì) 南試金力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（WDW-300E）、推臺鋸（FESTOOL-CS70）、切割鋸（J1G-355）、砂光機(jī)（FESTOOL-CMB120）、電鉆、力矩扳手、烘箱、電子數(shù)顯卡尺等。

2 結(jié)果與分析

2.1 測試單元對毛竹力學(xué)性能測試結(jié)果的影響

不同的測試單元所測得的毛竹各項(xiàng)力學(xué)性能結(jié)果不同，以竹片為單元和圓竹為單元的6年生中部毛竹力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 竹材力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of bamboo wood

由表1可以看出：不同的測試單元對毛竹力學(xué)性能測試結(jié)果有一定影響，以竹片為單元的毛竹縱向抗壓強(qiáng)度大于圓竹縱向抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)GB/T 15780-1995[13]中竹片縱向抗壓強(qiáng)度測試的試件尺寸為（20×20×t）mm，試件尺寸較小，測試過程發(fā)生的是單純的順紋抗壓破壞，而表1中圓竹縱向抗壓強(qiáng)度試件是直徑約90 mm、長約90 mm的圓竹，在測試過程中試件不僅發(fā)生抗壓破壞，竹壁還發(fā)生了彎曲破壞，綜合體現(xiàn)的是材料和中空結(jié)構(gòu)復(fù)合的破壞特征，因此測得圓竹的縱向抗壓強(qiáng)度略小于竹片的縱向抗壓強(qiáng)度。雖然圓竹縱向抗壓強(qiáng)度較小，但是在試件具有較大尺寸的情況下，仍具有較高的強(qiáng)度，表現(xiàn)出了圓竹中空結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。圓竹的縱向抗壓典型破壞示意圖如圖1所示。

圖1 圓竹縱向抗壓試件典型破壞Fig.1 Typical failure of longitudinal anti-pressure of bamboo-culms specimen

竹片縱向抗剪強(qiáng)度略小于圓竹縱向抗剪強(qiáng)度。這是因?yàn)橹衿蛨A竹抗剪強(qiáng)度的測試，具有相同的測試原理，之所以圓竹抗剪強(qiáng)度較高，是因?yàn)樵跍y試過程中，試件剪切面為4個，為一個有機(jī)整體，有效的提高整體結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度。圓竹的縱向抗剪典型破壞示意圖如圖2所示。

圖2 圓竹縱向抗剪試件典型破壞Fig.2 Typical failure of longitudinal shear resistance of bamboo-culms specimen

竹片抗彎強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于圓竹抗彎強(qiáng)度。這是因?yàn)閳A竹作為一個中空結(jié)構(gòu)的材料，進(jìn)行彎曲性能測試，當(dāng)達(dá)到最大彎曲載荷時，其空心結(jié)構(gòu)被壓潰，或者竹壁產(chǎn)生錯位剪切破壞，使得圓竹的抗彎承載能力下降，但是并沒有喪失承受彎曲荷載的能力，這與竹片抗彎性能測試有很大的不同。圓竹抗彎性能測試示意圖如圖3所示。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，只有對圓竹進(jìn)行實(shí)測，才可以確定其抗彎承載性能，以確保使用的安全性。

圖3 圓竹抗彎性能測試Fig.3 Bending performance of bamboo-culms specimen

2.2 圓竹力學(xué)性能變異規(guī)律

2.2.1 圓竹縱向抗壓性能

毛竹圓竹不同竹齡及部位的縱向抗壓性能測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：同一竹齡毛竹（4年或6年）不同部位的圓竹縱向抗壓強(qiáng)度差異較大，并且不論是4年生的還是6年生的毛竹其縱向抗壓強(qiáng)度均是底部抗壓強(qiáng)度＜中部抗壓強(qiáng)度＜頂部抗壓強(qiáng)度；而竹稈同部位，4年生毛竹和6年生毛竹其縱向抗壓強(qiáng)度差異較小，其中僅6年生毛竹頂部抗壓強(qiáng)度＞4年生毛竹頂部抗壓強(qiáng)度，對于中部與底部，均是6年生的略小。

2.2.2 圓竹縱向抗剪性能

毛竹圓竹不同竹齡及部位的縱向抗剪性能測試結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出：同竹齡毛竹竹稈不同部位的縱向抗剪強(qiáng)度為底部抗剪強(qiáng)度＜中部抗剪強(qiáng)度＜頂部抗剪強(qiáng)度，并且3個部位強(qiáng)度大小差值相對較均勻；竹稈同部位不同竹齡毛竹縱向抗剪強(qiáng)度均是：4年生毛竹抗剪強(qiáng)度略微大于6年生毛竹抗剪強(qiáng)度。

表2 不同竹齡及部位圓竹縱向抗壓性能Table 2 Longitudinal anti-pressure of bamboo-culms specimen of different ages and parts

表3 不同竹齡及部位圓竹縱向抗剪強(qiáng)度Table 3 Shear strength of different ages and parts of the culms

2.2.3 圓竹抗彎強(qiáng)度

毛竹圓竹不同竹齡及部位的抗彎性能測試結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出：同竹齡毛竹不同部位的圓竹抗彎強(qiáng)度均為底部抗彎強(qiáng)度＜中部抗彎強(qiáng)度＜頂部抗彎強(qiáng)度；竹稈同部位不同竹齡毛竹抗彎強(qiáng)度均是4年生毛竹抗彎強(qiáng)度＞6年生毛竹抗彎強(qiáng)度。

表4 不同竹齡及部位圓竹抗彎強(qiáng)度Table 4 Bending strength of different ages and parts of the culms

毛竹圓竹與毛竹竹片的力學(xué)性能變異規(guī)律類似：同竹齡的毛竹竹稈自基部至頂部其縱向抗壓強(qiáng)度、縱向抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均呈增大趨勢，這主要是由于隨竹稈高度的增加，竹壁厚度減小，竹稈密度逐漸增大[14]；相對部位相同的毛竹，4年生毛竹總體性能優(yōu)于6年生毛竹。

在圓竹的實(shí)際應(yīng)用中其抗壓性能和抗剪性能的判斷，在很大程度上可以用竹片性能測試來代替，不僅能有效節(jié)省實(shí)驗(yàn)原材料，而且由于竹片所能承受的最大載荷遠(yuǎn)低于圓竹，可降低對實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的要求。但是圓竹抗彎性能不能采用竹片抗彎性能測試結(jié)果來代替，要進(jìn)行實(shí)際測試來獲得。

3 結(jié) 論

不同的測試方法對毛竹力學(xué)性能測試結(jié)果有一定的影響，毛竹圓竹和毛竹竹片的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度相差不大，但是抗彎強(qiáng)度大小差異較大，這主要與圓竹壁薄中空的特殊構(gòu)造有關(guān)。

毛竹圓竹的力學(xué)性能與竹稈部位有密切關(guān)系，隨竹稈高度的增加，自基部至頂部，圓竹縱向抗壓強(qiáng)度、縱向抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均呈增大趨勢。

毛竹圓竹的力學(xué)性能與竹齡相關(guān)，4年生毛竹各項(xiàng)力學(xué)性能總體優(yōu)于6年生毛竹。

以圓竹為測試單元和以竹片為測試單元的毛竹力學(xué)性能變異規(guī)律相似，兩者均能反映毛竹材力學(xué)性能變化規(guī)律。

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Mechanical properties of Phyllostachys pubescens

ZHANG Dan, WANG Ge, ZHANG Wen-fu, CHENG Hai-tao
(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

An experiment was conducted to study the mechanical properties of Moso bamboo-culms. It can be found that the test results of bamboo-culms differed from bamboo sheets, but the variation laws of mechanical properties between bamboo-culms and bamboo sheets were similar at bamboo age and stem position. As the height of the culms increased, the longitudinal compressive strength,longitudinal shear strength and bending strength showed an increasing trend；the mechanical properties of 4-year-old Moso bamboo were better than that of 6-year-old.

Phyllostachys pubescens；bamboo culms; bamboo sheets; mechanical properties

S784

A

1673-923X (2012)07-0119-05

2012-03-26

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)重大項(xiàng)目（201204701）

張 丹（1988—），女，碩士研究生，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)的研究；E-mail：zhangdan19880403@126.com

王 戈（1965—），男，博導(dǎo)，研究員，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)的研究；E-mail：wangge@icbr.ac.cn

[本文編校：歐陽欽]