竹桁架力学性能实验研究

摘要:本文以天然毛竹代替型钢研发的桁架结构体系,提出了充分利用竹材这种我国固有的绿色可持续资源,重点分析了竹材的基本力学性能,竹桁架的设计方法以及节点处理等关键技术,总结了竹桁架结构试验、设计和工程应用。研究结果表明现代竹桁架可广泛应用于旅游建筑、村镇建筑和农业大棚结构,符合建筑绿色环保和可持续发展的要求。

关键词:毛竹 桁架结构 效益 1 引言

目前国内外的桁架结构,基本上都采用型钢结构、钢木组合结构或钢混组合结构。采用天然、可再生的材料,逐步取代高耗能的钢材和水泥制品作为主要的结构材料使用,是实现建筑业可持续发展的必行之路,是实现建筑业节能减排的重要途径。竹子是一种重要的森林资源和特色资源, 我国的竹资源十分丰富,竹林面积达到420万公顷,竹林面积和竹材产量均居世界首位。将竹材这一自然资源应用于土木工程,作为主要的结构材料使用,发展新型竹结构体系,可以实现“以竹代木”、“以竹代钢”,不仅对我国森林资源的保护及生态环境的可持续发展具有重大的作用,而且能够促进竹产业的发展,提高竹产业在社会市场的竞争力。

以天然毛竹代替型钢研发新型的竹桁架结构体系,可广泛的应用

于旅游建筑、村镇建筑和农业大棚结构。竹结构具有以下优点:第一,原材料来源广,再生快(3～5年可成才);第二,天然毛竹中空呈管状,内有横膈,壁厚约为直径的1/10,截面对任一轴惯性矩一样,能够抵抗任一方向外力,天然竹节的横膈可作加劲肋保证了杆件局部稳定,因此,竹材具有良好的力学性能,比强度和比刚度高于钢材;第三,竹材加工性能好,可锯可刨。因此我们开展竹桁架结构体系进行基础性研究,对开发新型竹材结构及材料,建立工业化生产方法、结构设计、施工以及维护的综合技术,具有十分重要的社会意义、经济效益和环保效益。

2 竹桁架设计

竹桁架设计跨度4m,高0.5m,如图1所示。所有桁架杆件采用直径7.5cm～8.0cm的天然毛竹,节点采用套筒连接。

3 试验与分析

3.1 材料试验

竹桁架结构所有杆件均采用天然毛竹制成,本文竹桁架杆件均采用直径7.5～8.0cm的天然毛竹,为了得到这种结构用天然毛竹的材料特性,研究者针对竹桁架杆件属于二力杆特点,进行了天然竹材抗压、抗拉及弹性模量等方面的力学性能试验。

3.1.1 试验介绍

为了保证试验结果具有真实代表性,抗压分别在三根竹子生长的底部、中部、上部分别取1.5倍直径的3组9个试件进行试验,抗拉分别在三根竹子生长的底部、中部、上部分别取20mm×6mm×400mm 3组9个试件进行试验,各组试验的试件从同一批毛竹中随机截取,实验按非金属材料力学性能测定标准进行。

3.1.2 试验结果分析

天然毛竹的物理性能测试结果见表1,由于毛竹是天然生长而成,直径上小下大,壁厚上薄下厚,密度上小下大,但变化不大,对抗拉强度影响不大。对抗压强度、弹性模量根部较大,竹节处抗压强度、弹性模量大于非竹节处,总的抗拉强度大于抗压强度。因此,在构件制作时,应防止受压杆件过早出现屈服破坏,尽量选择根部或中部毛竹,节点尽量在竹节处。

3.2 桁架试验 3.2.1 试验介绍

研究者一方面根据材性试验得到力学性能,首先通过平面桁架理论计算出各杆应力及变形;另一方面,在平面桁架杆件双侧对称贴上应变片如图2所示,再在节点上同时逐级施加荷载,如图3所示,测定各杆件实际应力及变形。通过试验数据与理论数据进行分析,研究竹桁架受力特点及各杆力学性能。

桁架加载采用四点同时加载,首先预加10N荷载,查看各项仪器是否正常工作;然后逐级进行加载,每级荷载增量120N,并且恒载10min。

3.2.2 试验结果分析

竹桁架试验数据与理论数据分析见表2。

根据桁架试验结果,按弹性理论计算得的各杆件理论应力值与实验应力值平均相差0.02MPa,满足工程设计要求,表明了竹桁架结构,只要各杆件选材合理,制作工艺及结点连接符合要求,竹桁架结构体系完全能够适用于现代竹结构别墅、竹结构快装房、竹结构人行天桥、竹结构塑料大棚、竹结构楼亭台等工程。

4 结论

(1)本文所采用的直径7.5～8.0cm的天然毛竹的基本力学性能与常用的钢管、原木接近,适合作为桁架结构杆件材料使用;

(2)桁架结构的破坏是从桁架最大受压杆件及节点受拉杆件开始的,在荷载较大时,受压杆件出现压屈及节点受拉杆件被拉出错位,导致竹桁架破坏;

(3)节点采用套筒连接,杆件节点处杆件端部尽量采用竹节,并打毛,用结构胶粘结螺丝固定,既保证节点整体性、稳定性,还可大大提高竹桁架整体稳定和承载能力;

(4)对受压杆件采用天然毛竹根部或中部,确保压杆稳定,可以提高竹桁架的承载能力;

(5)采用竹桁架,施工简便,施工成本低约为刚桁架的1/3、环保节能,建设周期短,对环境影响小;

(6)本文提出的现代竹结构桁架,实现了天然毛竹作为桁架杆件主要的结构材料应用于建筑结构领域,是竹材这一天然有机材料在建筑领域应用的创新成果,现代竹桁架结构为建设环保型村镇建筑、旅游建筑、农业大棚建筑提供了新的选择,具有十分重要的社会意义、经济效益和环保效益。

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