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竹质复合材料工字形梁抗弯模型试验研究 0 竹材人造板在结构工程中的应用前景展望 根据文献，竹材料具有良好的物理强度。它的承受力约为木材的两倍，比压力强约为木材的十%，比材料的三四倍。同时，竹材料具有良好的弹塑性。以竹材为主要原料生产的竹片胶合板等人造板, 由于其结构的合理性, 大大改变了竹材的形态与结构, 提高了其物理力学性能的稳定性。竹材板的结构强度高, 如龙竹层积材的抗弯强度可达到200 MPa以上, 弹性模量也超过20GPa, 高于普通结构用木材 (如松木等) 的强度, 毛竹复合材料的抗压和抗拉强度与木材比较接近, 这使竹材人造板具有在结构工程上的应用潜力。 当今的土木工程结构大多是以钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土为主要建筑材料, 但通过对大量旧有钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构的检测发现, 配筋混凝土结构存在结构开裂、钢筋锈蚀等亟待解决的问题。在大力提倡可持续发展的今天, “绿色建筑”是必然的选择。发展新型材料、创新结构体系, 在建筑领域的一定范围内, 逐步取代钢筋混凝土作为主要建筑材料和结构形式来使用, 这成为21世纪土木工程领域创新与变革的方向, 也是土木工程学科所面临的挑战。目前, 中国也已经开展了竹质复合材料作为工程结构材料的应用性研究。 本文中提出了新型的竹质复合材料工字形梁结构, 可以作为中小跨度桥梁主要承载结构的替代方案。本文中所用的竹质复合材料包括竹篾层积板和竹帘胶合板, 其中竹篾层积板是由竹片以单向组胚方式胶结压缩而成, 纵向抗压强度较高;竹帘胶合板是由竹片以正交2个方向组胚方式胶结压缩而成, 其纵横向抗剪强度均较高。本文中将竹篾层积板简称为一类板, 竹帘胶合板简称为二类板。为充分利用2类人造板的各自特点, 初步设计以一类板为工字形梁的顶、底板, 以二类板作为工字形梁的腹板, 腹板与顶底板之间采用环氧树脂胶连接与螺栓机械连接共同作用。本文中拟对竹质复合材料工字形梁的弯曲力学特性进行探索性模型试验, 研究其受弯破坏模式、抗弯承载能力及其对抗弯刚度的影响, 为该类结构的设计应用提供理论基础。 1 试验总结 1.1 a顺纹抗压弹性模量 竹材胶合板由浙江湖州安吉县中奥竹材胶合板厂生产, 胶合板分为竹篾层积板与竹帘胶合板。竹篾层积板的出厂规格为2 440 mm×200 mm×15mm, 经试验测得顺纹抗拉强度为127 MPa, 顺纹抗压强度为53.5 MPa, 顺纹抗压弹性模量为9.81GPa;竹帘胶合板的规格为2 440 mm×270 mm×15mm, 顺纹抗拉强度为79 MPa, 顺纹抗压强度为35.8 MPa, 顺纹抗压弹性模量为6.86GPa。 体外钢筋选用高强钢丝, 钢丝直径为5mm, 抗拉强度设计值为1 570 MPa。 连接角钢选用Q235钢, 抗拉强度设计值为235MPa。 连接螺栓直径为8 mm, 材料性能等级为5.6级, 公称抗拉强度为500 MPa, 公称屈服强度为300MPa, 螺杆长度分为45, 50, 55mm三种。 粘结胶采用聚丙烯酸酯橡胶改性环氧树脂耐热胶粘剂, 室温20℃下剪切强度测试值为26.5MPa, 高温150 ℃下剪切强度测试值为15.7 MPa。 1.2 试验模型总体结构 共制作4根试验梁, 命名为1~4 号梁, 其中1号和2号梁为无配筋的竹材板工字形梁;3 号和4号梁分别配置2根体外筋 (其中3号梁施加体外预应力, 4号梁仅配置体外钢筋) , 均未施加体外预应力。对3号梁的2根体外预应力高强钢丝施加预应力, 每根钢丝张拉力为22kN。配置体外钢筋及施加预应力的目的在于研究上述措施对提高结构刚度、控制结构变形是否有效。 图1为竹质复合材料工字形简支梁试验模型, 简支梁的计算跨径均为2.14m, 梁总长2.44m, 梁高0.3 m, 顶底板宽0.2 m, 翼缘板采用竹篾层积板, 腹板采用竹帘胶合板, 腹板和上、下翼缘的板厚均为15mm, 并且沿纵向设置4 道横隔板, 横隔板厚为30mm。 如图1所示, 每根试验梁共有13个横截面进行了翼缘板与腹板的机械螺栓连接, 横隔板与翼缘板之间也采用了类似的连接措施。为确保腹板与翼缘板连接处的纵向抗剪承载能力, 腹板与翼缘板之间的连接方式主要为螺栓机械连接, 螺栓机械连接设计时充分考虑了空洞削弱对构件纵向抗剪能力的影响, 同时配合采用结构胶粘剂连接, 共同形成腹板与翼缘板的可靠连接, 翼缘板与腹板之间连接方式如图2所示。上述连接方式基于Holstein等的研究成果, 被认为是可靠的, 其研究发现组合结构中的各部件除了依靠螺栓机械连接方式外, 同时附加可靠的粘结连接, 可以使构件获得更好的结构刚度和受力强度。 基本连接步骤为:在完成上述机械螺栓连接操作以前, 首先清洁腹板及横隔板与翼缘板的接触面, 均匀涂上常温固结的环氧结构胶, 然后