周浩晨，柏文峰，蘇何先

（昆明理工大學 建筑與城市規(guī)劃學院 建筑工程學院，云南 昆明650504）

近年來，隨著中國建筑行業(yè)由勞動密集型向建筑產業(yè)化推進以及中國鄉(xiāng)村建設不斷發(fā)展，裝配式建筑以及天然環(huán)保建材越來越受到廣泛的關注［1］。竹子作為生態(tài)、環(huán)保、可再生資源，要如何替代塑料、鋼材乃至木材也是目前針對竹建筑的研究重點。原竹結構和竹集成材結構是現(xiàn)代竹建筑發(fā)展的2個方向。原竹結構用原竹作為結構材料，取材方便，體現(xiàn)自然美感，但因為原竹桿件粗細不同、壁厚不一，導致節(jié)點連接復雜，難于工業(yè)化、標準化生產。竹集成材規(guī)格統(tǒng)一，物理力學性能較為穩(wěn)定，便于工業(yè)化、標準化生產，但其生產工藝復雜，造價高昂，就民居建設而言難以推廣。

木骨架正交斜放竹條覆面墻板是借鑒輕型木結構技術提出的一種新型裝配式墻板。將輕型木結構建筑墻板的木基結構板材或石膏板替換為釘接鋪設在木骨架上的正交斜放竹條，竹條斜放傾角為45°。該新型裝配式墻板施工技術簡單，成本低，把原竹這一天然材料加工成具備工業(yè)化、標準化生產的結構部件［2］。國內外針對輕型木結構復合墻板力學性能已經(jīng)開展了不少研究。例如：以輕木框架，水泥壓力板作為覆面的復合墻板軸壓力學性能［3-4］。竹膠合板，OSB板等不同板材對輕木剪力墻的抗側性能研究［5-6］。對輕木框架剪力墻受力性能的有限元分析以及各種類型覆面板的握釘力性能研究［7-9］。結合國內外已有的相關研究成果，對3組包括正交斜放竹條覆面的墻板試件進行豎向承載力試驗，通過對比試驗數(shù)據(jù)及破壞模式，得出木骨架正交斜放竹條覆面墻板在豎向荷載作用下的力學性能，為后續(xù)相關研究提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設計

參考GB50005-2017《木結構設計標準》［10］，本試驗輕木骨架采用加拿大冷杉方木鋸材，試驗墻片尺寸為1 200 mm×1 200 mm，骨架間距600 mm，龍骨截面尺寸為40 mm×90 mm，骨架節(jié)點處用兩顆長度為60 mm的鐵釘連接，試件框架具體做法及細部構造如圖1所示。試件分為3個對照組，分別采用木骨架雙面竹條覆面（W-Z組）、木骨架一側竹條覆面另一側石膏板覆面（W-Z-S組）、木骨架一側木基結構板覆面另一側石膏板覆面（W-C-S組）。雙層竹條以45°角傾斜方向，用氣釘鋪設在木骨架上，竹條厚度10 mm，寬度35 mm；層板與石膏板用自攻螺釘（長度50 mm）與木骨架相連，螺釘間距150 mm，層板厚度為9 mm，石膏板厚度為12 mm；每組覆面板材做法及細部構造如圖2所示。

圖1 試件木骨架構造圖Fig.1 Construction detail of the wooden frame test panel

圖2 墻板覆面構造圖Fig.2 Construction detail of testwall panel surface

1.2 基本參數(shù)

試驗共設計3組墻體，每組墻體制作3個試件共計9個試件，其具體參數(shù)見表1。試驗為研究所提出的正交斜放竹條覆面墻板技術墻片的豎向承載能力，破環(huán)特征并與其他覆面板的墻體進行對比，故試驗以不同覆面板材料作為試驗變量。試驗所用輕木框架鋸材加拿大冷杉基本力學指標見表2。竹條主要力學性能見表3。

表1 試驗墻板詳細參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of the experimentalwall panel

表2 加拿大冷杉基本力學指標Tab.2 Basic mechanical indicators of Canadian fir

表3 竹條主要力學指標Tab.3 Themainmechanical indicators of bamboo

1.3 試驗裝置及試驗加載制度

試驗采用昆明理工大學工程抗震研究所的微機控制1 000 T液壓試驗機進行抗壓試驗，以試驗機自帶壓力和位移傳感器進行數(shù)據(jù)測量。試件與頂部液壓裝置之間設置反力鋼梁，鋼梁與試件接觸面設有墊板。鋼梁，墊板與試件導梁木方幾何對中，使豎向荷載均勻傳遞給試件。試驗采用位移控制方式進行加載，加載速率為20 mm·min-1，在墻片嚴重破壞時通過手動方式終止試驗。詳細見圖3。

2 試驗現(xiàn)象

2.1 竹條覆面板試件（W-Z）

圖3 試驗裝置詳圖Fig.3 Detailed experimental setup

試驗初期，竹條面板墻片在豎向荷載作用下竹條首先發(fā)生形變，表現(xiàn)為外層竹片中部外鼓或者是釘接端頭翹起；隨著豎向荷載的增加，破壞逐漸向內層竹片發(fā)展，部分外層竹片發(fā)生明顯凸起，大部分竹條仍保持與豎向龍骨的連接；當豎向荷載達到墻片豎向承載力極限時，主要承載的豎向龍骨達到其受壓極限相繼發(fā)生斷裂，龍骨均表現(xiàn)為墻板平面外失穩(wěn)破壞，最終墻片整體失穩(wěn)破壞；墻片破壞后繼續(xù)進行加載，墻板整體彎曲，覆面竹條破環(huán)加劇，墻板受壓一側竹條內凹或外鼓，受拉一側竹條持續(xù)發(fā)揮作用直到完全脫離豎向龍骨。竹條面層墻片破壞前有明顯征兆，從初步損傷到墻片完全破壞的過程一般較長，變形較大，墻片呈明顯的延性破壞，破壞特征見圖4。

圖4 竹條覆面試件破壞特征Fig.4 Damage characteristics of bamboo strip panel

2.2 竹條-石膏板覆面試（W-Z-S）

試驗初期，竹條-石膏板面板墻片在豎向荷載作用下竹條覆面一側與雙面竹條覆面板相似（W-Z組），但沒有雙側竹條覆面墻的竹條起鼓和翹起嚴重，另一側的石膏板在豎向壓力荷載作用下發(fā)生彎曲；隨著豎向荷載的增加，石膏板彎曲嚴重，鐵釘相繼拔出，與豎向龍骨失去連接，進而發(fā)生脆性斷裂破壞，石膏板破壞部位一般位于墻片中部，呈彎曲破壞特征，而墻片另一側的竹條逐漸出現(xiàn)損傷，但并未與豎向龍骨失去連接；當豎向荷載達到墻片豎向承載力極限時，豎向龍骨相繼發(fā)生沿墻板平面外失穩(wěn)破壞，最終墻片嚴重破壞；墻片破壞后繼續(xù)進行加載，墻板整體彎曲，石膏板完全脫離龍骨，竹條內凹或外鼓。此組墻片豎向承載力極限及最大變形均比雙面竹條覆面墻片（W-Z組）低。破壞特征見圖5。

2.3 層板-石膏板覆面試件（W-C-S組）

試驗初期，層板-石膏板覆面墻片在豎向荷載作用下，層板首先發(fā)生彎曲；隨著豎向荷載的增加，石膏板發(fā)生彎曲，層板嚴重彎曲，中部釘接拉脫損壞，與豎向龍骨失去連接，此時壓力荷載會有明顯的下降；繼續(xù)加載，層板與木骨架連接破壞逐漸由中部向墻片上下端發(fā)展，此過程中墻片壓力會增加，相較于有竹條覆面的墻板試件，層板-石膏板覆面試件在達到其豎向承載力極限之前位移較??；當豎向荷載達到墻片豎向承載力極限時，豎向龍骨發(fā)生墻板平面內失穩(wěn)破壞，石膏板也發(fā)生彎曲斷裂；墻片破壞后繼續(xù)進行加載，墻片整體并未發(fā)生彎曲失穩(wěn)破壞，而是伴隨著龍骨的失穩(wěn)破壞，墻片整體發(fā)生脆性破壞。此組墻片變形一般比竹條-石膏板覆面墻片（W-Z-S組）低，墻片的豎向承載力極限也比竹條-石膏板（W-Z-S組）覆面板墻片低。破壞特征見圖6。

圖5 竹條-石膏板覆面試件壞特征Fig.5 Damage characteristics of bamboo strip-gypsum panel

圖6 層板-石膏板覆面試件壞特征Fig.6 Damage characteristics of laminate-gypsum panel

對比3組墻片的破壞模式可知：就墻片整體而言，有竹條覆面的試件（W-Z組W-Z-S組）破壞模式均為彎曲失穩(wěn)破壞，有明顯的延性破壞特征；無竹條覆面的試件（W-C-S組）則表現(xiàn)為整體發(fā)生脆性破壞。就龍骨的破壞模式而言：有竹條覆面的試件（W-Z組W-Z-S組）龍骨均表現(xiàn)為墻板平面外失穩(wěn)破壞；無竹條覆面的試件（W-C-S組）龍骨表現(xiàn)為墻板平面內失穩(wěn)破壞。就覆面板的破壞模式而言：覆面板與石膏板首先發(fā)生彎曲形變，繼而與龍骨失去連接，最終發(fā)生彎曲破壞；加載初期竹條部分內凹或外鼓，隨著豎向荷載的增加，部分外層竹條中部與龍骨失去連接，墻體破環(huán)后，竹條中部嚴重起鼓，少量外層竹條脫離龍骨，失去約束作用，大部分竹條仍保持與龍骨的連接。

3 試驗結果分析

3.1 荷載-位移曲線

（1）竹條覆面板試件（W-Z組）：試件加載初期，豎向荷載隨著豎向位移線性增加，當荷載加載至豎向極限荷載時，木龍骨發(fā)生斷裂，此時的豎向荷載達到最大值，平均最大豎向荷載值為271.1 KN，平均豎向位移為45.3 mm；隨著加載的繼續(xù)，竹條仍發(fā)揮拉結作用，豎向荷載平緩下降。荷載-位移曲線見圖7。

圖7 竹條覆面板荷載位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of the bamboo strip panel

竹條-石膏板覆面試件（W-Z-S組）：試件荷載-位移曲線與竹條覆面板試件（W-Z組）情況相似，豎向極限荷載低于（W-Z組）組試件，平均最大豎向荷載值為236.7 KN，達到最大豎向荷載時的平均豎向位移為34.7 mm。（W-Z-S 3組）試件豎向荷載在達到其極限荷載之后快速下降，觀察其破環(huán)模式可知該試件邊龍骨表現(xiàn)為墻板平面內失穩(wěn)破環(huán)。荷載-位移曲線見圖8。（注：由于試驗過程設備故障，該試驗組第2塊試件僅得到試驗數(shù)據(jù)，未能未能記錄荷載-位移曲線。）

圖8 竹條-石膏板覆面試件荷載位移曲線Fig.8 Load-displacement curve of the bamboo strip-gypsum board panel

（3）層板-石膏板覆面試件（W-C-S組）：加載初期，試件豎向荷載隨豎向位移呈增加趨勢，但伴隨著層板和石膏板與龍骨逐漸失去連接并退出工作，在豎向荷載增加過程的中段，豎向荷載會產生波動，最終逐漸上升至試件豎向極限荷載。當達到試件極限荷載時，龍骨發(fā)生墻板平面內失穩(wěn)破壞，隨即豎向荷載呈階梯式快速下降。試件平均最大豎向荷載值為182.8 KN，達到最大豎向荷載時的平均豎向位移為19.3 mm。荷載-位移曲線見圖9。

圖9 層板-石膏板覆面試件荷載位移曲線Fig.9 Load-displacement curve of the laminate-gypsum board panel

從上述3組試件荷載-位移曲線分析對比可知：相較于層板-石膏板覆面試件（W-C-S組），覆面為竹條的試件組（W-Z組W-Z-S組）在達到其豎向極限承載力之前，有較大的變形空間，且在豎向龍骨破壞之后，豎向荷載下降平緩。這與竹條在整個加載過程中始終保持與豎向龍骨的連接有關，在試件墻板整體發(fā)生彎曲破環(huán)后仍發(fā)揮一定的拉結作用。

3.2 極限承載能力

由表4可知，竹條覆面的試件組（W-Z組）比竹條-石膏板試件組（W-Z-S組）最大壓力平均值提高12.7%，停止時最大變形平均值提高31.5%；比層板-石膏板試件組（W-C-S組）最大壓力平均值提高32.6%，停止時最大變形平均值提高50.1%。試驗數(shù)據(jù)表明：相較于覆面板為層板-石膏板的試件組（WC-S組），帶有竹條覆面板的試件組（W-Z組）與（W-Z-S組）豎向承載力均有提高；雙面采用竹條覆面板的試件組（W-Z組）豎向承載力高于竹條-石膏板覆面的（W-Z-C）試件組。

表4 試驗結果Tab.4 Experimental results

參照《輕型木結構建筑設計（結構設計分冊）》［1］，以2層輕木骨架建筑，每層3開間，開間分別為3 600 m、2 700 m、3 600 m，進深6 m，層高3 m為算例進行荷載計算，得出恒載與活荷載組合后的豎向設計荷載值為42.8 kN·m-1，對應的墻板豎向加載值為51.4 kN，分別是試驗3組墻片試件最大承載力的18.9%，21.7%，28.1%。結合試件破環(huán)模式，荷載-位移曲線分析可知：設計荷載對應的豎向承載力均在3組試件覆面板發(fā)生明顯變形所對應的豎向承載力之前，表明3組試件均具有較高的結構冗余度，其中結構冗余度竹條覆面的試件組（W-Z組）＞竹條-石膏板試件組（W-Z-S組）＞層板-石膏板試件組（W-C-S組）。

綜合幾組試件的試驗數(shù)據(jù)，荷載-位移曲線以及破環(huán)模式分析可知：輕型木結構復合墻板在豎向壓力的作用下發(fā)生變形，木基結構板和石膏板由于復合墻體因豎向荷載作用受壓變形導致面板與骨架連接的鐵釘拔出，面板發(fā)生彎折破壞，失去了對豎向龍骨的約束，在豎向壓力的持續(xù)作用下，豎向龍骨失去側向約束，發(fā)生沿弱軸方向也就是墻板平面內失穩(wěn)破壞，最終導致復合墻體整體失穩(wěn)破壞。而竹條覆面板由于竹條的良好韌性，使得復合墻體在豎向壓力的作用下僅有部分竹條發(fā)生外鼓及氣釘?shù)陌纬?，并未完全失去對豎向龍骨的約束，最終導致竹條覆面板復合墻體發(fā)生整體平面外失穩(wěn)破壞，在整個加載過程中竹條覆面始終保持與豎向龍骨的連接，在龍骨發(fā)生失穩(wěn)破壞后仍然發(fā)揮作用，這也是竹條覆面墻板表現(xiàn)出延性破環(huán)特征的原因。豎向龍骨沿其強軸破壞的承載力要高于沿其弱軸破壞的承載力，而且大部分竹條仍具有一定的豎向承載能力，與墻骨架共同承受豎向荷載，這是斜向正交竹條覆面板墻體試件豎向承載力提高的主要原因。

4 結語

從豎向承載能力看，雙側竹條抗震墻板＞單側竹條+單側石膏板＞單側層板+石膏板，這表明，竹條覆面較之輕型木結構木基層板覆面以及石膏板覆面的墻體有更高的豎向承載能力。從最大壓力對應的變形看，正交斜放竹條覆面墻板的延性優(yōu)于輕型木結構墻板，竹條覆面墻板從初步損傷到墻片完全破壞的過程一般較長，變形較大，墻片呈明顯的“延性”破壞特征。正交斜放竹條覆面墻板以更低的造價獲得了較輕型木結構墻板更高的豎向承載力以及更好的豎向變形能力。輕型竹木建筑自重輕，正交斜放竹條覆面墻板豎向承載能力優(yōu)于輕型木結構，下一步需要進正交斜放竹條覆面墻板結構與輕型木結構抗震能力測試的比較，以得到對正交斜放竹條覆面墻板結構性能更全面的認識。

綜合以上結論：正交斜放竹條覆面墻板無論豎向承載力還是延性均優(yōu)于輕型木結構的墻板，體現(xiàn)出良好的結構性能，證明了此類構件的工程應用價值；低造價，就地取材，生態(tài)環(huán)保等特性讓此類構件具有更好的生態(tài)，經(jīng)濟效益；試驗達到了預期效果，同時為竹子在建筑工程領域的應用提供了新的技術思路，為后續(xù)理論分析提供了有益參考。