内置钢筋增强重组竹梁研究

内置钢筋增强重组竹梁研究

李佳泽 高百川 李永芬

东北林业大学 黑龙江省哈尔滨市 150040

摘要：本文列举了三种增强重组竹梁的方法，分析了不同增强方法的优点及缺点，根据以往研究的试验方法及构件设计的不足，本文新研发一种内置钢筋增强重组竹梁构件，即在加工重组竹梁构件时便将钢筋内置进梁内，该构件无需二次加工，并在保证截面完整性的同时也能增强重组竹梁构件的承载力及刚度。内置钢筋增强重组竹梁构件的研发对于推动重组竹材料在大跨度建筑领域的发展具有重要意义。

关键词：重组竹梁 钢筋 内置 增强

1.引言

竹结构体系绿色安全，性能优异，在全球大力倡导绿色建筑的背景下，竹结构建筑更以其低碳环保，能够可持续发展的特点，迎来了新的发展机遇^[1–3]。作为竹结构建筑中较为重要的材料，重组竹本身力学性能非常好，但重组竹的弹性模量较低，刚度较小，重组竹梁在承受较大荷载时易产生过大的跨中挠度，这将使重组竹梁的截面设计往往由刚度控制， 从而导致重组竹强度没有得到充分发挥。为充分利用重组竹材料的力学性能，提高重组竹梁的强度及刚度，使重组竹梁能满足大跨度结构梁的要求，研究学者们提出了不同的增强重组竹梁的方法。本文对有关增强重组竹梁的研究进行了分析总结，并提出了内置钢筋增强重组竹梁的试验方案，为我国开展重组竹在大跨度、大空间结构中的利用研究奠定基础。

2.有关重组竹梁增强方式的研究

2.1嵌入式钢筋增强法

所谓嵌入式钢筋增强法，就是在加工好的重组竹梁底部开槽，通过灌胶将钢筋固定于槽内的一种增强方法，如图1所示。

新型嵌入式钢筋增强重组竹梁力学性能试验研究^[4]中所采用的增强重组竹梁的方法即为嵌入式钢筋增强法，其在梁底部沿着构件轴线方向开槽，槽宽和槽深均大于钢筋的直径，钢筋布置于槽内且为粘结填充材料 ( 结构胶、环氧树脂、乙烯基树脂中的一种) 所包裹，封面竹条通过粘结填充材料与竹材相粘结覆于槽口处，其宽度与开槽的槽口宽度相同且外表面与开槽外口齐平，此种增强方法的优点为：在一定程度上增强了重组竹梁的强度和刚度；缺点为：对重组竹梁开槽会削弱梁截面，且加工过程复杂。

图1 嵌入式钢筋增强法示意图

2. 2. FRP板增强法

所谓FRP板增强法，就是在重组竹梁底部或者内部粘贴FRP板的一种增强方法。

FRP增强重组竹梁受弯性能数值模拟^[5]中制作FRP板增强重组竹梁的具体步骤为：重组竹梁的加工-梁底部打磨直至光滑-均匀涂抹环氧树脂胶-将FRP材料从梁的一端开始粘贴，粘贴过程中通过橡胶辊或者刮板施加足够的压力，以挤出气泡和多余的胶黏剂，利用同样涂胶的方法，将重组竹板胶黏在FRP材料表面，这样就完成了FRP材料的内置。此种增强方法的优点为：避免了重组竹梁截面的削弱，且可达到提高重组竹梁承载力的目的。但重组竹密度较大，质地较硬，当发生脆性破坏时，梁底部的竹纤维易将FRP材料扎破，导致FRP材料无法继续发挥增强作用。

2. 2. 钢-竹组合增强法

所谓钢-竹组合增强法，就是对重组竹梁进行开槽，在梁的两侧设置两个与梁截面尺寸相同的钢板，将钢筋置于槽中，并穿过端部钢板，通过螺栓将钢筋固定于槽中的一种增强方法^[6]。

钢板组合增强重组竹试件受弯性能试验研究^[6]中的增强方法的优点是：重组竹梁的强度及刚度提高显著，且可通过拧动端部螺母，对重组竹梁施加预应力；但是此种方法同样会削弱重组竹梁截面，制作工艺复杂。

近年来，研究学者对增强重组竹梁所提出的方法^[4-6]，可分为两种：一种为采用FRP材料增强；另一种为采用钢筋增强。当采用FRP材料增强时，FRP材料易与重组竹梁一同破坏，当采用钢筋增强时，重组竹梁会被削弱截面，二次加工工艺复杂。为了能大幅度提高重组竹梁的强度及刚度，同时避免削弱截面，本文新研发了一种内置钢筋增强重组竹梁构件，即通过热压工艺，在加工重组竹梁的同时将钢筋热压进重组竹梁内，为重组竹在建筑工程领域上的大范围推广奠定基础。

3.内置钢筋增强重组竹梁构件的研发

内置钢筋增强重组竹梁构件在将钢筋内置进重组竹梁之前，对钢筋进行通长开槽，开槽尺寸为：槽宽6mm、槽深3mm，在钢筋中部粘贴一个高温应变片，并覆盖聚丙乙烯高温胶水，如图2所示。

参考木结构试验方法标准^[7]，内置钢筋增强重组竹梁构件的尺寸定为3150mm×100mm×150mm（长×宽×高），钢筋所在位置为钢筋截面中心距梁宽度方向30mm，据截面高度方向25mm，构件设计图如图3所示。

内置钢筋增强重组竹梁构件的制作流程如图4所示，具体流程主要包括以下步骤：选取毛竹-剖分为竹片-去掉竹节并碾压-碳化处理-烘干-浸胶-二次烘干-铺设钢筋-压制板材-切割并打磨-压制成型。

图4 制作工艺流程图

4.结论

1. 本文列举了三种增强重组竹梁的方法，并分析了当采用FRP增强材料时，FRP易与重组竹梁同时破坏；当采用钢筋增强时，梁截面会被削弱从而导致梁刚度降低。

2. 本文提出了一种内置钢筋增强重组竹梁试件，此试件无需二次加工，也无需开槽削弱截面，既能满足增强重组竹梁刚度的需求又能改善梁的破坏形态，即重组竹梁破坏时由于钢筋的存在不至于瞬间垮塌。

3. 内置钢筋增强重组竹梁构件的提出对竹结构体系向大跨度、大空间的发展有推动作用，对推动大跨度空间竹结构发展具有现实意义。

图2 应变片的粘贴

图3 钢筋位置示意图

参考文献

[1] 冷予冰,许清风,陈玲珠.工程竹在建筑结构中的应用研究进展[J].建筑结构,2018,48(10):89-97.DOI:10.19701/j.jzjg.2018.10.018.

[2] 周军文,高逸.竹结构建筑应用前景分析[J].四川建筑,2016,36(04):64-66.

[3] 柳菁,张家亮,郭军,李玉顺.现代竹结构建筑的发展现状[J].森林工程,2013,29(05):126-130+134.DOI:10.16270/j.cnki.slgc.2013.05.017.

[4] 陈冬剑,周正伟,潘利群.新型嵌入式钢筋增强竹梁力学性能试验研究[J].森林工程,2011,27(04):62-65+87.DOI:10.16270/j.cnki.slgc.2011.04.011.

[5] 魏洋,严少聪,陈思,端茂军,王立彬.FRP增强重组竹梁受弯性能数值模拟[J].复合材料学报,2019,36(04):1036-1044.DOI:10.13801/j.cnki.fhclxb.20180613.001.

[6] Yang Wei, Shaocong Yan, Kang Zhao, et al. Experimental and theoretical investigation of steel-reinforced bamboo scrimber beams [J]. Engineering Structures, 223(2020)111179.

[7] GB/T 50329-2012, 木结构试验方法标准[S].