现代竹质工程材料的基本性能及其在建筑结构中的应用前景

现代竹质工程材料的基本性能及其在建筑结构中的应用前景摘要：通过对比分析竹帘胶合板、竹材层积材、竹材重组材等现代竹质工程材

料的工艺及基本性能，指出每种材料在建筑结构构件中的应用选择，结合现代竹

结构安居示范房的设计与建造实例，分析竹结构的应用前景与优势。竹结构在设

计与建造方面都具有非常好的灵活性，具有出色的抗震性能，其最大优势在于绿色、低碳、节能、减排，竹质工程材料能够达到现代结构工程的要求，使得竹结

构的大规模推广应用成为可能。

关键词：竹结构；竹质工程材料；重组竹；竹材层积材；竹帘胶合板

引言：

目前，我国部分建筑结构采用砖混结构和钢筋混凝土结构体系，但要使用大量的粘土制品、水泥和钢材，其材料能耗高、污染大，废弃后难以降解，在当前发展低碳经济的大环境下，绿色、生态、环保、低碳的新型建筑结构材料是土木工程科技发展的必然方向。随着我

国经济发展，传统的木结构作为典型的绿色建筑结构又逐渐进入了人们的视线，但是我国森

林资源匮乏，木材再生周期长，木结构应用受到了严重限制。“以竹代木”，利用现代复合、

重组技术制作的竹质工程材料建造的工程结构，具有与木结构类似的优越性能，其在生态性、保温节能性、抗震性及施工与工业化方面具有突出的优点。

本文在对相关竹质工程材料的工艺与基本性能进行阐述的基础上，对现代竹质工程材料

在建筑结构中的应用前景进行了展望。

正文

1 现代竹质工程材料的工艺与基本性能

目前，我国针对竹材的研究主要集中于竹材制造工艺、竹木重组及竹塑复合等领域，先

后开发了竹编胶合板、竹材集成材、竹材层积材、竹材重组材、竹材复合板等多种竹质工程

材料和装饰材料，产品品种已系列化和标准化，在竹材产品开发与应用方面走在世界前列。

竹材与木材相比在建筑方面的特性毫不逊色，竹材本身的抗拉强度及弯曲强度可达150 MPa左右，抗压强度可达60~70 MPa，弯曲弹性模量达10 GPa以上。可见，竹材的力学性能优于普通木材，而且竹材有较好的弹性与韧性。现代竹质工程材料的产品形式已十分丰富与

成熟，可用于建筑结构构件的竹材产品有竹材胶合板、竹材层积材、竹材重组材等。

1.1 竹帘胶合板

竹帘胶合板是将竹剖成厚1~2 mm、宽10~15 mm左右的竹篾，用细棉线、麻线或尼龙线

将其连成竹帘，经干燥、涂胶或浸胶，以纵横交错的竹帘组坯，通过浸胶热压而成的结构材料。

由于竹帘胶合板的结构特点，其作为建筑结构材料可应用于楼、地面及墙体结构材料。

图1为竹帘胶合板及其力学性能试验情况，通过5个1 200mm×600mm×16 mm双跨连续板的集中加载试验表明，竹帘胶合板的强度高，承载能力强，在整个加载过程中，荷载与位移关

系基本呈线性变化（图1），荷载-位移曲线本身未表现出其塑性发展过程，由于在破坏前，

其加载点位移已非常大，整个板面下凹，其破坏形态主要是加载点附近板底出现的纵向裂缝，部分纤维横向断裂（图2），在纵向裂缝出现与发展过程中，承载能力可继续提高，整个破

坏过程经历时间长，纤维的部分断裂并不引起承载力下降，可认为是一种延性破坏。由于其

承载力高，破坏历程长，破坏发生时挠度大，因此，竹帘胶合板在楼、地面的应用设计中，

都是正常使用极限状态控制结构设计（挠度限值）。

1.2 竹材层积材

竹材层积材是用一定规格的竹篾，经干燥、浸胶、干燥、组坯、热压固化而成的一种人

造竹材板，又称竹材层压板。

目前，根据市场上现有设备能力，竹材层积材的压制厚度一般在40 mm以下，宽度和长度不限，当其用于梁时，截面可旋转90°使用，梁高不受限制，梁宽可通过多层二次施胶组合实

现较大尺寸。图3为竹材层积材梁构件的力学性能试验情况，通过10根30 mm×100

mm×2000 mm的简支梁弯曲试验表明，在竹梁压制不密实时，会发生梁顶部竹篾层间受压屈

曲破坏，承载力较低，对于一般竹材层积材梁构件，通常发生底部纤维分层逐渐拉断（弯曲

应力引起）和底部纤维斜向撕裂（剪应力引起）的破坏模式。

（a）分层、屈曲破坏；（b）竹纤维底部分层拉断

图4为竹材层积材梁构件的典型荷载-位移关系曲线，竹材层积材梁在整个加载过程中，

大部分区段都处于近似弹性工作阶段，只有接近最大荷载部位，才出现平缓段，进入近似完

全塑性阶段。破坏时，梁的实际挠度大，弯曲变形明显。因此，竹梁允许承受的荷载设计值

实际是由截面刚度控制，根据试验结果按弹性理论计算，相应弯曲抗拉强度平均为60.7 MPa，按挠度限值（L/250）［5］验算的极限承载力大约是按强度验算极限承载力的1/5，在变形验算时，其弯曲弹性模量取10GPa，具有95%的保证率。由于竹材层积材尺寸范围较大，力学

性能较好，用于建筑结构构件可作为梁、柱、承重墙体、单向板等，尤其是跨度较大的梁构件，其他竹质工程材料目前无法做到。

1.3 重组竹

重组竹又称重竹，是一种将竹材重新组织并加以强化成型的新型竹质工程材料。重组竹

充分利用了竹材纤维材料固有特性，对竹材的利用率可达90%以上，由于在纤维层次上对竹

材进行重组，力学性能稳定，离散性小，强度高，如果对竹材纤维进行浸药等预处理，可使

重组竹具备优良的防腐性能、防火性能和防虫性能。

目前，重组竹热压成型是一块约1 860 mm×1 260mm×35mm大小的板材，冷压成型规格

为1 860mm×105mm×165mm，也有其他不同规格，但尺寸差别不大。由于重组竹良好的物理

特性，故广泛应用于高档地板、家具制作领域，尤其是室内地板，多数出口至欧美市场。图

5给出了重组竹柱、梁的部分试验结果，根据6个100mm×100 mm×600 mm的重组竹短柱试

验表明见图5（a），竹柱受压时，在60%~70%极限荷载以下，材料处于弹性工作阶段，在弹性极限点后，应力-应变曲线呈非线性变化，在达到极限强度时，应变发展较快，荷载基本不

再增加，随后，由于初始缺陷或加工偏差等原因，受压柱朝某一方向弯曲，荷载开始下降，

其应力-应变曲线的卸载曲线表明，卸载后试件的残余应变在20%左右，并在随后的时间里继

续恢复，恢复能力远超过普通钢材，证实了竹材优良的弹性与韧性，重组竹短柱的平均抗压

强度达61.3 MPa，弹性模量在10 GPa以上，离散性小，力学性能稳定。对

105mm×160mm×1870mm的重组竹简支梁进行抗弯试验，其L/4和跨中处位移随荷载的变化

曲线如图5（b）所示，其荷载-位移关系

曲线与竹材层积材梁相似，破坏为底部竹纤维受拉断裂破坏，断裂瞬间发生，随后，在裂缝

顶部水平方向竹材发生剥离式撕裂破坏，承载力急剧下降，相应弯曲抗拉强度达90.4 MPa，

较竹材层积材梁高49%，由截面刚度推算的材料弹性模量与竹材层积材梁相近，对应挠度限

值（L/250）的荷载值为极限荷载的23.4%，与竹材层积材梁试验结果相似。综上所述，重组

竹梁较竹材层积材梁除在强度方面有较大提高之外，其他性能相近或相似。

（a）

（a）短柱受压应力-应变曲线；（b）重组竹梁的荷载-位移关系曲线

根据重组竹柱、梁试件的试验结果，重组竹力学性能稳定，强度高，弹性模量与其他竹

质工程材料区别不大，是重要承重构件的理想材料，尤其是结构柱，而对于梁构件，由于挠

度限值控制设计，其相对于竹材层积材的优势并不明显。

2 现代竹质工程材料应用及其前景分析

以现代竹质工程材料为主要结构构件，南京林业大学等有关单位进行了竹结构安居示范

房的设计与建造研究，成功完成了1幢两层的独立式住宅建筑。该工程平面布置为

9.2m×11.5m，整体结构以梁柱结构体系为主，同时，兼用搁栅-墙骨柱构成多约束、多传力路径的受力体系。现代竹质工程材料的竹结构应用实践表明，竹结构建筑的结构体系可借鉴传

统木结构，采用梁柱结构体系，利用金属节点形式，实现竹结构的快速装配施工，竹结构具

有施工速度快，构件、节点易标准化，易工业化生产的优点。

竹结构体系的建筑形式和使用功能与木结构体系相近，木结构在全球林业资源发达、并

提倡建筑节能环保的地区已相当盛行，发展也相当成熟。在美国、加拿大等北美地区以及对

环保要求极高的日本，木结构占有相当高的比例，而在气候寒冷的北欧，木结构房屋也是主