毛竹圆竹力学性能的研究

张 丹，王 戈，张文福，程海涛

毛竹圆竹力学性能的研究

张 丹，王 戈，张文福，程海涛

(国际竹藤中心，北京 100102)

以毛竹圆竹为研究对象，研究其力学性能的变异规律。结果表明：以圆竹为测试单元毛竹各项性能测试结果不同于以竹片为测试单元测得的结果，但是毛竹圆竹的各项力学性能在竹龄、竹秆部位上的变异规律和竹片力学性能的变异规律相似。随竹秆高度的增加，其纵向抗压强度、纵向抗剪强度、抗弯强度均呈增大趋势；4年生毛竹的力学性能总体优于6年生毛竹。

毛竹；圆竹；竹片；力学性能

竹材是一种重要的森林资源，随着竹材加工技术的发展，竹材在建筑行业的利用越来越广泛，以竹代木成为解决目前木材资源匮乏的最佳途径[1]。毛竹分布自秦岭、汉水流域至长江流域以南和台湾省，黄河流域也多处有栽培，是我国分布面积最大，用途最广，经济效益最佳，生态适应性较强的竹种，也是我国最主要的材用竹种[2]。力学性质是竹材基本的材性指标，也是衡量竹材质量的重要指标，深入了解竹材的力学性能，对充分合理利用竹材资源具有十分重要的意义。

目前，对竹材力学性能的研究测试多是以竹片作为测试单元，探讨竹龄、竹秆部位、方向等对竹材物理力学性质的影响[3-7]，在现代竹木建筑中，圆竹经常通过巧妙的连接件、加强箍等方式被用作当立柱、简支梁、桩等结构构件[8]，作为此种结构构件圆竹力学性能的研究显得尤为重要。但目前仅部分国内外学者对圆竹用于建筑领域的抗弯、抗剪、抗压等力学性能进行了相关研究[9-12]，且对圆竹的物理力学性能测试国内还没有相关的测试标准。本文通过对毛竹圆竹的力学性能进行测试，与毛竹竹片的力学性能测试结果进行了对比分析，同时，分析了毛竹圆竹在竹龄、竹秆部位的力学性能变异规律，以期为圆竹的实际应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

毛竹Phyllostachys pubescens于2011年10月下旬，采集于江西资溪。竹龄为4年生和6年生，从胸高直径100 mm以上，不少于100株的样竹中，分散选取有代表性、无缺陷竹子。每株从离地约30 mm的整竹节处，向上截取3段约3 m长的圆竹作为试材，分为上、中、下3部分，并气干待用，含水率约为12﹪～18﹪。

1.2 试验方法

依据GB/T 15780-1995[13]，对毛竹竹片的物理力学性能进行测试；依据ISO 22157-1:2004 (E) 和ISO 22157-2:2004(E)，对圆竹的力学性能进行测试。

1.3 试验设备

力 学 试 验 机（INSTRON-5582）、 济 南试金力学试验机（WDW-300E）、推台锯（FESTOOL-CS70）、切割锯（J1G-355）、砂光机（FESTOOL-CMB120）、电钻、力矩扳手、烘箱、电子数显卡尺等。

2 结果与分析

2.1 测试单元对毛竹力学性能测试结果的影响

不同的测试单元所测得的毛竹各项力学性能结果不同，以竹片为单元和圆竹为单元的6年生中部毛竹力学性能测试结果如表1所示。

表1 竹材力学性能Table 1 Mechanical properties of bamboo wood

由表1可以看出：不同的测试单元对毛竹力学性能测试结果有一定影响，以竹片为单元的毛竹纵向抗压强度大于圆竹纵向抗压强度。这是因为在标准GB/T 15780-1995[13]中竹片纵向抗压强度测试的试件尺寸为（20×20×t）mm，试件尺寸较小，测试过程发生的是单纯的顺纹抗压破坏，而表1中圆竹纵向抗压强度试件是直径约90 mm、长约90 mm的圆竹，在测试过程中试件不仅发生抗压破坏，竹壁还发生了弯曲破坏，综合体现的是材料和中空结构复合的破坏特征，因此测得圆竹的纵向抗压强度略小于竹片的纵向抗压强度。虽然圆竹纵向抗压强度较小，但是在试件具有较大尺寸的情况下，仍具有较高的强度，表现出了圆竹中空结构的优越性。圆竹的纵向抗压典型破坏示意图如图1所示。

图1 圆竹纵向抗压试件典型破坏Fig.1 Typical failure of longitudinal anti-pressure of bamboo-culms specimen

竹片纵向抗剪强度略小于圆竹纵向抗剪强度。这是因为竹片和圆竹抗剪强度的测试，具有相同的测试原理，之所以圆竹抗剪强度较高，是因为在测试过程中，试件剪切面为4个，为一个有机整体，有效的提高整体结构的剪切强度。圆竹的纵向抗剪典型破坏示意图如图2所示。

图2 圆竹纵向抗剪试件典型破坏Fig.2 Typical failure of longitudinal shear resistance of bamboo-culms specimen

竹片抗弯强度要远大于圆竹抗弯强度。这是因为圆竹作为一个中空结构的材料，进行弯曲性能测试，当达到最大弯曲载荷时，其空心结构被压溃，或者竹壁产生错位剪切破坏，使得圆竹的抗弯承载能力下降，但是并没有丧失承受弯曲荷载的能力，这与竹片抗弯性能测试有很大的不同。圆竹抗弯性能测试示意图如图3所示。因此，在实际应用过程中，只有对圆竹进行实测，才可以确定其抗弯承载性能，以确保使用的安全性。

图3 圆竹抗弯性能测试Fig.3 Bending performance of bamboo-culms specimen

2.2 圆竹力学性能变异规律

2.2.1 圆竹纵向抗压性能

毛竹圆竹不同竹龄及部位的纵向抗压性能测试结果如表2所示。

从表2可以看出：同一竹龄毛竹（4年或6年）不同部位的圆竹纵向抗压强度差异较大，并且不论是4年生的还是6年生的毛竹其纵向抗压强度均是底部抗压强度＜中部抗压强度＜顶部抗压强度；而竹秆同部位，4年生毛竹和6年生毛竹其纵向抗压强度差异较小，其中仅6年生毛竹顶部抗压强度＞4年生毛竹顶部抗压强度，对于中部与底部，均是6年生的略小。

2.2.2 圆竹纵向抗剪性能

毛竹圆竹不同竹龄及部位的纵向抗剪性能测试结果如表3所示。

由表3可以看出：同竹龄毛竹竹秆不同部位的纵向抗剪强度为底部抗剪强度＜中部抗剪强度＜顶部抗剪强度，并且3个部位强度大小差值相对较均匀；竹秆同部位不同竹龄毛竹纵向抗剪强度均是：4年生毛竹抗剪强度略微大于6年生毛竹抗剪强度。

表2 不同竹龄及部位圆竹纵向抗压性能Table 2 Longitudinal anti-pressure of bamboo-culms specimen of different ages and parts

表3 不同竹龄及部位圆竹纵向抗剪强度Table 3 Shear strength of different ages and parts of the culms

2.2.3 圆竹抗弯强度

毛竹圆竹不同竹龄及部位的抗弯性能测试结果如表4所示。

由表4可以看出：同竹龄毛竹不同部位的圆竹抗弯强度均为底部抗弯强度＜中部抗弯强度＜顶部抗弯强度；竹秆同部位不同竹龄毛竹抗弯强度均是4年生毛竹抗弯强度＞6年生毛竹抗弯强度。

表4 不同竹龄及部位圆竹抗弯强度Table 4 Bending strength of different ages and parts of the culms

毛竹圆竹与毛竹竹片的力学性能变异规律类似：同竹龄的毛竹竹秆自基部至顶部其纵向抗压强度、纵向抗剪强度、抗弯强度均呈增大趋势，这主要是由于随竹秆高度的增加，竹壁厚度减小，竹秆密度逐渐增大[14]；相对部位相同的毛竹，4年生毛竹总体性能优于6年生毛竹。

在圆竹的实际应用中其抗压性能和抗剪性能的判断，在很大程度上可以用竹片性能测试来代替，不仅能有效节省实验原材料，而且由于竹片所能承受的最大载荷远低于圆竹，可降低对实验仪器设备的要求。但是圆竹抗弯性能不能采用竹片抗弯性能测试结果来代替，要进行实际测试来获得。

3 结 论

不同的测试方法对毛竹力学性能测试结果有一定的影响，毛竹圆竹和毛竹竹片的抗压强度、抗剪强度相差不大，但是抗弯强度大小差异较大，这主要与圆竹壁薄中空的特殊构造有关。

毛竹圆竹的力学性能与竹秆部位有密切关系，随竹秆高度的增加，自基部至顶部，圆竹纵向抗压强度、纵向抗剪强度、抗弯强度均呈增大趋势。

毛竹圆竹的力学性能与竹龄相关，4年生毛竹各项力学性能总体优于6年生毛竹。

以圆竹为测试单元和以竹片为测试单元的毛竹力学性能变异规律相似，两者均能反映毛竹材力学性能变化规律。

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Mechanical properties of Phyllostachys pubescens

ZHANG Dan, WANG Ge, ZHANG Wen-fu, CHENG Hai-tao
(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

An experiment was conducted to study the mechanical properties of Moso bamboo-culms. It can be found that the test results of bamboo-culms differed from bamboo sheets, but the variation laws of mechanical properties between bamboo-culms and bamboo sheets were similar at bamboo age and stem position. As the height of the culms increased, the longitudinal compressive strength,longitudinal shear strength and bending strength showed an increasing trend；the mechanical properties of 4-year-old Moso bamboo were better than that of 6-year-old.

Phyllostachys pubescens；bamboo culms; bamboo sheets; mechanical properties

S784

A

1673-923X (2012)07-0119-05

2012-03-26

林业公益性行业科研专项重大项目（201204701）

张 丹（1988—），女，硕士研究生，主要从事木材科学与技术的研究；E-mail：zhangdan19880403@126.com

王 戈（1965—），男，博导，研究员，主要从事木材科学与技术的研究；E-mail：wangge@icbr.ac.cn

[本文编校：欧阳钦]