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International Journal of Mechanics Research
Vol. 12  No. 01 ( 2023 ), Article ID: 62086 , 7 pages
10.12677/IJM.2023.121001

竹筋混凝土梁工作性能研究

杨国松*，张洁

南京金宸建筑设计有限公司，江苏 南京

收稿日期：2022年11月30日；录用日期：2022年12月16日；发布日期：2023年3月6日

摘要

以竹筋代替钢筋的竹筋混凝土受弯构件既能够减少建筑行业对钢材的需求，又能够减少碳排放。文章通过综合因素折减系数法给出了胶合竹抗拉强度设计值的推荐值。通过已有试验数据，分析了竹筋与混凝土粘结与锚固、竹筋混凝土梁受弯性能。结果表明，适当提高配筋率能够有效提高竹筋混凝土梁的受弯承载力。文章认为，竹筋混凝土梁能够满足低地震烈度区域单层或多层住宅建筑的承载力要求。

关键词

胶合竹，竹筋混凝土梁，设计值，粘结性能，受弯性能

Research on Working Performance of Bamboo-Reinforced Concrete Beam

Guosong Yang*, Jie Zhang

Nanjing Jinchen Architectural Design Co., Ltd., Nanjing Jiangsu

Received: Nov. 30th, 2022; accepted: Dec. 16th, 2022; published: Mar. 6th, 2023

ABSTRACT

Bamboo-reinforced concrete flexural members with bamboo reinforcement instead of steel bars can not only reduce the demand for steel in the construction industry, but also reduce carbon emissions. This paper gives the recommended tensile strength design value of glued laminated bamboo through reduction coefficient method. Based on existing test data, this paper analyses the bonding and anchoring performance between bamboo and concrete and the flexural performance of bamboo-reinforced concrete beam. The results show that the flexural bearing capacity of bamboo reinforced concrete beam can be increased effectively by appropriately increasing the reinforcement ratio. This paper believes that bamboo-reinforced concrete beams can meet the requirements of single-storey or multi-storey residential buildings in areas with low seismic intensity.

Keywords:Glued Laminated Bamboo, Bamboo Reinforced Concrete Beam, Design Value, Bond Property, Bending Property

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

我国竹林资源十分丰富，我国竹林面积超过600万公顷，位居世界首位，竹材蓄积量也位列世界第一。竹结构住宅在我国具有悠久的历史，西南地区“干阑式”竹屋最具代表性。如今，不少学者认为竹筋增强材料适合在经济欠发达地区作为钢筋的替代材料 [1] 。文章从胶合竹材顺纹抗拉强度设计值、竹筋与混凝土粘结性能、竹筋的耐久性能、竹筋混凝土梁受弯承载力等方面的研究，深入分析了竹筋混凝土梁的工作性能。研究表明，充分利用竹材顺纹抗拉强度较高的特点，以竹筋代替钢筋制作的竹筋混凝土梁在低烈度区域的单层及多层住宅中具可观的应用前景。

2. 胶合竹顺纹抗拉强度设计值

2.1. 胶合竹抗拉强度影响因素

影响胶合竹材强度的因素种很多，其中，竹材品种、竹龄、含水率、加工工艺、材料缺陷、老化等影响较为明显 [2] - [7] 。表1为不同类别竹材抗拉强度试验数据。

Table 1. Tensile strength test parameters of different kinds of bamboo materials

表1. 不同类别竹材抗拉强度试验参数

注：1) 层板胶合竹是将圆竹材沿顺纹方向加工成一定长、宽、厚的竹片单元，然后通过胶黏剂经蒸汽热压成型的胶合竹材；2) Glubam是基于竹席竹帘胶合板开发出的纵横向纤维比为4:1的胶合竹材；3) 重组竹材是一种将竹材纤维重新组织经高温高压固化而成的胶合竹材。

2.2. 胶合竹抗拉设计计算方法

祝明桥 [5] 等认为，原竹轴向拉伸试验中应力–应变曲线与无明显屈服点钢筋的应力–应变曲线类似，因此，原竹抗拉强度设计值f可按下式计算：

f = ( 0.8 ~ 0.9 ) f k (1)

f k = f t − 1.645 δ (2)

其中，fk竹原竹抗拉标准值；ft为原竹抗拉强度试验值；δ为试验值标准差。

笔者建议原竹的抗拉强度设计值在考虑多因素折减后可取60 MPa [7] [16] [17] [18] [19] ，高于肖岩 [3] 等参考木材的容许应力计算方法得出的设计值。

3. 竹筋与混凝土的粘结与锚固

竹筋在混凝土构件中的锚固

胶合竹属于脆性材料，与钢筋相比，竹筋的冷塑性能较差，这使得竹筋在节点区难以采用弯锚的形式锚固。直锚锚固承载力P可近似按下式计算：

P = μ σ u l (3)

式中，μ为混凝土强度折减系数，C30混凝土取1.0，对于其他标号混凝土，取1.43/ft (ft为混凝土抗拉强度设计值)；

σ为混凝土与竹筋之间的粘结强度(MPa)；

u为锚固段竹筋周长(mm)；

l为竹筋的有效锚固长度。

竹筋与混凝土的粘结力主要包括竹筋与混凝土之间的摩擦力以及机械咬合力。从施工的便利性与经济性考虑，提高竹筋与混凝土的摩擦力和机械咬合力是既有效也具备操作性的，并且已经取得一定的研究进展 [20] [21] [22] [23] [24] 。由于缺乏规范依据以及经验参数，构件设计时，不同处理条件下的竹筋与混凝土之间的粘结强度可通过试验获得。

由于竹筋的可塑性较差，竹筋在混凝土中采取弯折锚固的施工难度较大，为了减小平直段锚固长度，可采用端部扩大的方式增强锚固承载力。

4. 竹筋混凝土梁受弯性能

4.1. 竹筋混凝土梁受弯试验

通过已有的试验数据，将部分竹筋混凝土梁受弯破坏试验参数总结如下：

Table 2. Test of flexural bearing capacity of plain concrete beams and bamboo reinforced concrete beamspart I [25]

表2. 素混凝土梁与竹筋混凝土梁受弯承载力试验一 [25]

注：P为破坏荷载；P'为梁构件保持弹性变形的荷载上限；w为破坏时挠度；w'为梁构件保持弹性变形的荷载上限对应的挠度。

Table 3. Test of flexural bearing capacity of bamboo-reinforced concrete beams [26]

表3. 竹筋混凝土梁受弯承载力试验 [26]

注：P为破坏荷载；f为破坏时挠度。

Table 4. Test of flexural bearing capacity of plain concrete beams and bamboo reinforced concrete beamspart II [27]

表4. 素混凝土梁与竹筋混凝土梁受弯承载力试验二 [27]

注：本试验样本为双筋矩形梁；P为破坏荷载；P'为梁受拉区出现裂缝时荷载；f为破坏时挠度；f'为梁受拉区出现裂缝时挠度。

表2~4中试件的竹筋均为原竹，试验结果表明，竹筋混凝土梁破坏模式均为脆性破坏，开裂挠度约为破坏时挠度的50%。在受拉区出现裂缝前，梁的刚度基本保持稳定，挠度与荷载呈线性相关，当受拉区混凝土出现裂缝并持续开展后，竹筋混凝土梁的刚度出现小幅下降，且下降幅度随荷载的继续增大而增大，并在达到极限荷载时发生脆断。

承载能力方面，单筋矩形梁的承载能力低于双筋矩形梁；竹筋混凝土梁的受弯承载力显著高于素混凝土梁，且承载力提高幅度取决于受拉区竹筋配筋率的大小，配筋率越大，承载力提到幅度越高；在配筋率相同的前提下，竹筋混凝土梁受弯承载力低于钢筋混凝土梁，通过适当增加配筋率可以提高竹筋混凝土梁的极限承载力，从表4可以看出，当竹筋混凝土梁受拉区竹筋配筋达到钢筋混凝土梁的3倍时，二者极限承载力几乎相同，但此时，竹筋混凝土梁的弯曲变形能力依然显著低于钢筋混凝土梁。

此外，竹筋混凝土适筋梁破坏时，通常表现为受拉区竹筋在竹节处拉断，这表明，竹纤维在竹节处的不规律、不完全连续分布导致竹筋在受拉时节处出现应力集中，从而不能完全发挥竹材节间抗拉承载力。理论上，以薄竹片为基本单元，采用错位搭接热压胶合工艺的胶合竹能够在一定程度上避免竹节处纤维分布在同一断面的情况，如图1所示，从而达到增强竹筋抗拉承载力的连续性和稳定性。

Figure 1. Glued laminated bamboo

图1. 胶合竹

4.2. 配筋率对抗弯强度的影响

为了实现延性设计，我国现行抗震规范限制了框架梁端纵向受拉钢筋的配筋率不超过2.75%。从抗震设计、经济性、以及施工等角度来看，竹筋混凝土梁的合理配筋率值得深入探讨。表5列出了竹筋混凝土梁中，受拉区竹筋配筋率对梁破坏形态的影响。从表中数据可以看出，竹筋混凝土适筋梁的配筋率已经远大于钢筋混凝土梁纵向受拉钢筋配筋率最大限值，当试件的配筋率超过6%时，构件易发生超筋破坏。表中竹筋在试件破坏时的抗拉强度参照现行混凝土规范计算得到，可以看出，除试件1和试件2发生少筋破坏之外，其余试件在破坏时，受拉区竹筋抗拉强度均远低于表1中的试验值。此外，构件截面也是影响受拉竹筋发挥其抗拉承载力的一大要素，截面为135 mm × 235 mm的试件(Ⅰ类试件)在破坏时竹筋抗拉承载力发挥系数要显著优于截面为100 mm × 180 mm的试件(Ⅱ类试件)。

Table 5. Failure modes of bamboo reinforced concrete beams with different reinforcement ratios [20] [27]

表5. 不同配筋率竹筋混凝土梁破坏形态 [20] [27]

注：本试验样本为双筋矩形梁；P为破坏荷载；fy为梁破坏时受拉区竹筋拉力。

多组互相独立实验表明，以原竹为受拉增强材料的竹筋混凝土梁的受弯承载力比素混凝土梁有了较高的提升，除表5中试件的承载力表现出较大离散外，其它几组试验结果的同组差异性较小，显示出竹筋混凝土梁较为稳定的工作性能。胶合竹在更为严格的选材以及在制作工艺上针对材料缺陷的处理，理论上能够满足竹筋混凝土梁的工作稳定性。

5. 结论

文章主要从竹筋与混凝土的锚固和配筋率对朱静混凝土梁承载力的影响两个方面分析了竹筋混凝土梁的工作性能。研究表明，竹筋与混凝土之间的锚固承载力计算可参照钢筋混凝土，但锚固段竹筋与混凝土的粘结力需要通过试验获得；试验数据表明，竹筋混凝土梁的抗弯承载显著高于素混凝土梁，在配筋率介于3%~6%时，能够充分利用竹筋的抗拉强度。由于目前尚未进行竹筋的搭接方式以及搭接承载力研究，住进混凝土梁只能用于层数较少、跨度和楼屋面荷载较小的结构中。

文章引用

杨国松,张 洁. 竹筋混凝土梁工作性能研究
Research on Working Performance of Bamboo-Reinforced Concrete Beam[J]. 力学研究, 2023, 12(01): 1-7. https://doi.org/10.12677/IJM.2023.121001

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    28. NOTES

    *通讯作者。

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