竹材结构实验设计可持续性建筑研究

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摘要：介绍了关于竹材在可持续建设领域的相关研究。竹子是一种多年生禾本科竹亚科植物，与世界各地迅速消耗的木材相比，竹材可以在较少的资源下充分生长，并且有更短的生长周期。提出了一种科学的设计方法，并对中国栽培悠久、面积最广、经济价值最高的毛竹进行了详细的材料分析（包括强度和刚度分析）。对以竹材为基本构件的组合结构进行阐述分析，关于连接问题，也做了进一步阐述。通过设计特质的钢构连接件，来实现竹材构件的有效连接。这种构件可以很容易地固定在竹杆的末端，利用摩擦原理进行有效支撑，为了加强安全性能，可以辅助焊接及螺栓等技术手段，同时介绍了可持续性发展建筑的重要性及评价标准推荐。

关键词：竹材；强度；刚度；科学设计方法

当今，我们正面对着威胁建筑业的一些主要可持续发展挑战，包括具有全球和地方重要性的问题：如资源枯竭、保护生物多样性和气候变化。那么，对于这些问题，我们首要应该想到什么呢：“对于传统污染型建筑材料有哪些替代品？”“这些替代品是如何起作用的?”“如何能保证替代品的稳定来源?”。本文提供了在应对可持续建设和发展的挑战中起关键作用的构件的实用信息。它的基础是一个简单的概念，也就是确保每个人现在的生活质量的同时，又保证不损害今后几代人的生活质量。[3]可持续发展要求设计者在建筑生命周期的每个阶段都有生态意识的思考，从建造的决定开始。让我们了解为实现能源和水效率目标、实现成本节约和最大限度地减少对环境的总体影响所采取的关键决策和步骤，探索每个项目阶段的机会，以创建更多可持续的项目。我们需要涵盖建筑工程专业，包括建筑或设计服务、土木工程、机电工程、结构工程等其他相关工程专业。首先从一种目前利用率较低但是受力性能较好的材料开始介绍。竹子是一种多功能、结实、可再生、环保的材料。它是禾本科植物，也是地球上生长最快的木本植物。大多数竹子品种在播种后3-4年就能长出成熟的纤维，比大多数木材生长周期短出数倍。有些竹子一天能长到1米，很多能长到25米甚至更多。竹子可以在3-5年的周期内快速、轻松、可持续地生长。它可以生长在边缘和退化的土地上，也可以在高地以及河岸生长。竹材适应大多数气候条件和土壤类型，作为一种土壤稳定剂和有效的碳汇设施，有助于对抗温室效应。尽管在过去，特别是在中国南部地区，它仅被用于农村建筑，但对于这种高强度材料，我们应该投入更多的关注。此外，还要尽早推广基于现代钢筋混凝土设计基础上的科学设计方法，才能使竹材以最经济的方式用于广泛的现代城市和农村建设。本人从这几方面，通过相应研究，取得了一定结论。本文从材料特性、科学设计方法的发展和预制中、高容量模块化组件的发展三个方面进行简要介绍。

1竹材的力学特性

本文通过相应实验，对生长在中国的两个品种———刚竹和毛竹进行了完整的力学特性分析。以混凝土行业的测试标准，分别测定了两种竹材的抗拉压强度。[4]根据实验组综合结果，测得刚竹和毛竹的典型特征抗压强度分别为63MPa和44MPa。抗拉强度分别为76MPa和62MPa。除此之外，关于竹龄选择以及竹材加工选取竹材的不同部位也是需要考虑的因素。笔者通过借鉴相关文献，了解到，不同竹龄的竹材，竹壁厚薄不均,产生的收缩应力更大,更易开裂。毛竹根部的竹筒部位由于含水率较高也较易开裂。就竹龄而言,4年以下竹龄的毛竹较易开裂。所以，对于不同部位以及竹龄的相关性能实验，还有待进一步研究完善。

2可持续发展建筑的竹材梁柱组合结构研究

在阐述了竹材的力学性能之后，笔者将进一步对竹材梁柱结构的组合形式进行分析。在这一过程中，我发现了一种新型的由竹材组成的梁柱组合形式：利用专用的钢构连接件将半裂主板条连接在一起。通过相应的结构功能试验，测试得到一种可以有效提高竹材梁柱整体性的钢材连接件，并且这种连接件能够以焊接及螺栓的形式进行补强，如图1所示。[1]首先将连接件连接到柱，通过拧紧两个半分裂管件使用螺栓拧紧，使其到达到一个特定的扭矩水平。夹具通过将柱底底板固定，使得立柱很容易连接到地基上，从而使得整个门式刚架的安装更加容易。该结构针对工业厂房等大跨结构有着较好的推广性，也可以被用于在大学学校校舍或者商业活动中心。上述开发项目是竹材作为一种绿色工程材料，在建筑结构中用于可持续经济增长的研发项目的一部分。

3大跨度抗弯构件的研究

上述的结构适用于中等跨度的构件，如板条梁或柱。然而，针对与多高曾建筑，这样的结构体系的安全性还有待研究。针对与需要承担大量水平荷载的建筑结构，需要采用新的竹材材料形式———新型纤维增强复合竹（FRCB）构件。[2]根据竹纤维的制备工艺，一般需要对竹纤维进行预处理。预处理的目的是提高竹材的塑性，保持足够的强度。生产实践表明，竹纤维的质量与其生产条件密切相关，碱处理竹纤维的主要影响因素是湿度。在以往的研究中，纤维饱和点以上的竹材力学性能基本不变。碱处理后竹材的力学性能与含水率之间的关系尚未确定。天然竹材可作为单向纤维增强复合材料，宏观上呈各向异性。在竹纤维的加工过程中，以轧制法和精梳法加工的竹纤维大多处于与晶粒平行的拉伸状态。实验中，通过对竹材的纵向拉伸性能进行了研究。得到了相应结论：（1）原竹为脆性材料，碱处理后NaOH（2.5%）浸泡24h可制得塑性材料（含水率18%）。（2）经NaOH（2.5%）浸泡24h后，竹材纵向力学性能与含水率密切相关。抗拉强度随含水率和拟合线的减小而增大。在含水量为40%~90%时，竹子的伸长可达10%以上。因此，在机械加工粗竹纤维时，竹材含水率应控制在40%~90%之间。（3）碱处理后竹材的纵向抗拉强度取决于单根纤维的粘结强度，竹材的塑性伸长取决于单根纤维间的滑移变形。将竹材以复合纤维的形式组合在一起，形成一个刚性框架，为了达到整体通效果，使其辅以钢筋及混凝土材料进行整体性浇筑，其预制示意如图2所示。通过对所属结构的水平、竖直双向荷载实验，得到了较好的实验效果，试验清楚地证明了这种大跨度刚架在现代多、高层建筑中应用的可行性。[4]

4结论

本文介绍了笔者为实现现代可持续建设的预制竹结构所做的最新研究工作。根据结构工程原理和力学性能，包括对常见的中国竹材的严格测试所获得的强度和刚度，开发了一种科学的设计方法。已开发出合适的钢性连接装置，使受力构件具有可连接性，补充以焊接及螺栓等补强方式。通过该种结构实验，使大面积建筑结构预制成为现实，这项技术对于像中国这样拥有大片荒地和适宜气候的国家来说具有巨大的潜力。

参考文献

[1]李晓枫.工具式组合木梁承载力分析[J].黑龙江工程学院学报，2014（4）.

[2]杨健，孙强，于鑫鑫.徽州传统建筑木梁修缮方法及其数值分析[J].黑龙江工程学院学报，2020（1）.

[3]彭磊，王雪亮.干裂木梁的强度退化分析[J].木材加工机械，2016（6）.

[4]袁书成，董江峰，王清远，等.受损木梁的抗弯加固试验与承载力计算分析[J].应用数学和力学，2014（S1）.

作者:王爽 单位:哈尔滨华德学院