竹木结构受力特点及节点设计

竹木结构受力特点及节点设计

龙俊宇 1

1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041

[摘要] 现代竹木结构具有经济实用、保温节能、装配化施工、抗震的特点，适用于任何气候环境，设计灵活，可展现形式丰富多样的建筑风格。本文结合竹木结构的使用，介绍了相关竹木产品及其力学性能，为竹木结构的节点设计提供了多种方案，在实现低碳环保的同时，又能实现快速集成装配化施工。

[关键词] 竹结构；装配施工；节点连接；节能环保

1.引言

国内外拥有大量的竹木结构，可由于混凝土的出现，在最近几十年出现了停滞不前的困惑局面。在当前国家碳中和政策下，现代竹木结构属于绿色环保型结构，符合我国可持续发展的战略要求，因此竹木结构又焕发了新的活力。但是，由于我国森林治疗匮乏，国家一直提倡节约木材，特别是在建筑、桥梁领域，木结构发展受到较大的制约。与木材相反，我国竹材资源丰富且材料性能与木材类似，具有无可比拟的优势，但目前情况而言，竹材本身具有一定的局限，加之研究尚处于起步阶段，形成一个完整统一的体系需要一定时间。

2.材料特性

2.1竹木结构的优点

（1）强度高，竹材相比于木材在建筑方面的特性略高，竹材本身的抗拉强度及弯曲强度可达150MPa左右，抗压强度可达60~70MPa，弹性模量可至10GPa以上。木材，例如松木，弯曲强度为79.4MPa，弹性模量为12GPa。

（2）生态性好，相比于传统的钢筋混凝土材料在生产时会产生污染，废弃时难以拆除且重复利用困难，竹木材特别是竹材，作为一种可再生可重复利用的自然资源、绿色材料，在我国分布广泛，具有再生周期短、耗能低、加工污染小、无毒害等特点。

（3）优良的抗震性能，竹木结构因其结构质量轻，有良好的变形能力来吸收和耗散地震中的大量能量。

（4）竹木施工装配化，施工速度快，竹木结构的施工可参照钢结构，即主要构件和节点预先在工厂标准化加工，再通过交通工具运输到现场拼装。

2.2竹木结构的缺点

（1）在自然情况下，竹木结构易发生虫蛀、开裂、腐朽和霉变等会降低结构承载能力。

（2）竹木结构本身存在严重各向异性且横向强度极低

（3）节点连接十分复杂

针对缺点1、2，我们必须根据现代结构的需要，利用复合重组技术对竹木材料本身进行加工改造，例如参考现在特别流行的组合结构——钢混组合梁，我们也可以做竹木-混凝土组合梁结构，在竹木梁在下侧，主要承受拉应力和弯曲应力，混凝土板在上侧，主要承受压应力，当然也可以采用钢-竹（木）结构的组合形式。

3.连接形式

3.1木结构的连接

木材作为建筑材料具有重量轻、强度高、美观、加工性能好等特点，因此自古以来对木材的使用较为常见，木结构的连接可按功能和方式进行划分，连接按功能可分为节点连接、接长和拼接；按方式可分为榫卯连接、齿连接、销连接等。

（1）榫卯连接

榫卯结构是我国古代传统的木连接结构，不借助任何外力，通过木材本身的结构穿插进行咬合固定，图3给出部分常用榫卯结构，在古典工艺家具中榫卯结构近百种，常见的有格角榫、托角榫、粽角榫、燕尾榫、夹头榫、抱肩榫、龙风榫、楔钉榫、插肩榫、围栏榫、套榫、挂榫、半榫与札榫等。过去采用的榫卯连接都是采用手工加工，现在较多的采用专门数控加工技术，与传统的手工加工构件在形状、加工精度和强度性能上都有较大的差异。采用机械加工减少劳动强度，并且强度性能比手工加工高倍，初期刚性也较高，但是机械加工的榫卯连接部位没有间隙，表现为脆性破坏。

（2）齿结构

齿连接是将受压构件的端头做成齿榫，抵承在另一构件的齿槽内以传递压力的一种连接方式，其分为单齿连接和双齿连接，如齿连接。齿连接构造简单，传力明确，可用简单工具制作，易于检查施工质量和观测工作情况。但齿连接由于在构件上刻槽，对构件截面削弱较大，从而增加竹材用量。在齿槽中除承压工作外，尚伴随着脆性的剪切工作，同时只能用于手工操作，要技术级别较高的木工进行制作，方能保证连接质量。

（3）销连接

在木结构的大多采用销连接，包括采用的柳钉、钉、螺栓和各种螺钉都属于销连接的形式。螺栓连接方法是在木质构造接口中使用最常见，在对结构件连接前需预先穿孔，孔径可以较螺栓实际尺寸略小。螺栓连接通过施加预紧力，能够有效抑制连接部位构件的偏离和伸张，并且螺栓可以与其他钢构件一起组合。

3.2竹结构的连接

竹质材料通过原竹材的改性，在材料性能上比原竹材和木材更加优越，螺栓连接具有连接施工方便、应力传递均匀、承载力大、反复荷载作用下疲劳强度高、工作可靠等优点，被广泛用于竹结构梁柱、竹桁架等竹结构建筑中。

1. 轻型竹结构房屋屋架螺栓连接

屋架是用于屋顶结构的桁架，它承受作用于屋盖结构平面内的荷载，并把这些荷载传递至下部结构（如墙或柱子），分别用螺栓连接的屋架弦杆对接节点、屋架上弦和腹杆屋脊节点以及屋架上、下弦的支座端节点。

（2）轻型竹结构房屋组装螺栓连接

轻型竹结构房屋是将所有构件在工厂预制、工地组装，其组装时大部分使用螺栓连接。

（3）竹结构梁柱框架常见的螺栓连接

梁柱式竹结构体系是由梁和柱等构件组成框架来传递外力，其纵、横向荷载都是由梁柱结构体系承受，并最后传递给基础。现代竹结构梁柱式框架的所有关键节点，如柱与基础连接、梁柱连接等都是由螺栓节点来实现。

4结论

（1）多种形式、多种规格的竹木结构为满足人们的需要提供了丰富的功能，我们在设计时应该因地制宜的选择符合要求的产品。

（2）在地震区采用竹木结构。

（3）施工方便快速，我们可减少构件数量，方便竹木构件的加工与安装，主要节点采用金属节点，实现了竹木结构的快速集成装配。

（4）节能环保，降低污染，竹木结构只有“固碳”没有“排碳”，迎合我国“可持续发展战略”的政策导向，为绿色城镇的建设提供了一个崭新的思路。

参考文献

[1]肖汝诚等. 桥梁结构体系[M]. 人民交通出版社, 2013.

[2]周水兴. 桥梁工程 第2版[M]. 重庆大学出版社, 2011.

[3]魏洋, 吕清芳, 张齐生,等. 现代竹结构抗震安居房的设计与施工[J]. 施工技术, 2009, 038(011):52-54.

[4]邹威. 竹质桥梁构件连接构造研究[D]. 重庆交通大学, 2014.

[5]吕清芳, 魏洋, 张齐生,等. 新型抗震竹质工程材料安居示范房及关键技术[J]. 特种结构, 2008(04):11-15.

[6]殷臻. 大跨度竹质桥梁构件连接构造研究. 重庆交通大学, 2013.

[7]魏洋, 纪雪微, 周梦倩,等. 销栓型竹-混凝土组合结构的力学性能[J]. 农业工程学报, 2017, 03(v.33;No.305):73-80.