现代竹结构的研究现状和展望
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工业建筑 2015 年第 45 卷第 4 期
还拥有较好的整体受力特征，能提供可靠的剪力传 递［12］。盛素玲、朱建新则对竹结构建筑的可呼吸性 保温隔热围护进行了研究，分析了采用“壁工法”建 成的竹结构 房 屋 的 保 温 隔 热 性 能［13］。 朱 一 辛 等 对 木竹重组材的开发前景、抗弯性能与水平剪切性能 等进行了一系列的研究［14 － 16］。张晓东利用有限单 元法对木竹复合层合板的力学性能进行了分析［17］。 此外，陈绪和等对竹材人造板节点与木节点进行分 析，发现竹节点除了具有良好的强度性能外，还具有 很好的延性，当荷载到达极限时，竹节点不会发生劈 裂，竹材梁构件不易发生瞬间破坏［18］。
Civil Engineering，University of South California，Los Angeles CA90089，USA； 3． Liuyang Public Works，Liuyang 410300，China）
Abstract： Modern bamboo structure is a new kind of structural system，receiving more and more attentions in today's move towards sustainable construction． Comparing with conventional systems，such as steel and concrete structures， the modern bamboo structural system is based on the natural bamboo as raw materials． Similar to but even better than timber materials，bamboo is a carbon negative material． Modern bamboo structure is essentially a bamboo fiber-based composite material，adopting similar forms as modern wooden structures which are widely used in industrialized countries． A systematic research work was done by domestic and overseas researchers in modern bamboo structures， through which the modern bamboo structure system was gradually shaping． This paper analyzed the development of the system，and summarized the research progress，and finally，some application demonstrations of modern bamboo structures in prefabricated movable house，light bamboo house and large-space frame system etc were described． Clearly，it is shown that modern bamboo structure system will have bright prospects in near future and at least is an alternative choice for consideration of sustainability． Keywords： modern bamboo structure； GluBam； bamboo board； prefabricated house； bridges
Industrial Construction Vol. 45，No. 4，2015
工业建筑 2015 年第 45 卷第 4 期 1
在： 1） 原竹材料建造的房屋具有极大的随机性，技 术含量低； 2） 原竹材料内中空，自身的直径和长度 有限且不规则，大大局限了使用范围； 3） 原竹的各 向异性造成节点复杂； 4） 居住使用感不佳，原竹之 间存在缝隙，保温隔热功能差。为克服传统竹结构 的缺陷，需要寻求和研发一种轻质、环保，可持续的 绿色新型建筑结构体系———现代竹结构体系。
a—传统竹结构房屋； b—现代竹结构房屋 图 1 竹结构房屋
Fig． 1 Bamboo structural houses
2 现代竹结构的发展概况 2. 1 现代竹结构的内涵
现代竹结构主要使用竹胶合材和竹材人造板。 竹胶合板材以原竹为材料，通过一系列机械和化学 加工工序形成各种不同几何形状的结构单元，再在 一定的温度和压力下，利用化学黏结剂或材料自身 的结合力，压制而成的板状材料［3］。板材不仅保持 了竹材的物理、力学性能，同时还具有变形小、硬度 2
现代竹结构体系是基于现代力学、材料学、结构 设计及实验学等理论，通过开发新型竹结构材料，建 立工业化生产方法、利用现代结构设计、施工方法以 及维护技 术［2］ 将 竹 材 构 件 拼 接 安 装 而 成 的 一 种 新 型结构体系。与传统竹结构相比，它具有以下鲜明 特点（ 图 1） ： 1） 结构体系是基于现代结构设计理论； 2） 大量使用各种竹质工程材料，使得材料方面更能 满足不同工程实践的需要； 3） 一般为工厂规格化的 生产材料，易于形成全套的制作、检验标准，大大减 小了原竹材料随机性和离散性，使材料的质量更为 稳定。
着砖瓦材料的诞生、钢筋混凝土结构和钢结构的大 量运用，竹结构的发展渐渐停滞不前，其主要的原因 在于天然 的 竹 材 具 有 一 定 的 局 限 性［1］，主 要 表 现
* 国家自然科学基金重点项目（ 50938002） 。 第一作者： 肖岩，男，1961 年出生，博士，教授，博士生导师，教育部长 江学者特聘教授。 电子信箱： yanxiao@ hnu． edu． cn 收稿日期： 2014 － 12 － 20
在此基础上，肖岩课题组发明了一种具有特定 的纤维排列方式、且经过特殊工艺加工的格鲁斑胶 合竹材［8］。该 胶 合 竹 材 可 以 根 据 结 构 需 要 设 计 纤 维排列方式和配比方式以及构件形式。
研究表明，现代竹结构建筑通过采用先进的生 产技术、科学的研究、工业化的规范制作技术以及材 料科学的应用，比原生态的竹材作为建筑材料能更 大程度地利用竹材。 2. 2. 2 胶合竹材的物理力学性能研究
现代竹结构的研究现状和展望*
肖 岩1，2 李 佳3
（ 1． 湖南大学建筑安全与环境国家级国际联合研究中心，长沙 410082； 2． 南加州大学土木系，洛杉矶 CA90089； 3． 浏阳市工务局，湖南浏阳 410300）
摘 要： 现代竹结构是一种新型的结构体系，相比于钢结构和混凝土结构体系，其最大的不同在于采用 天然竹材为原材料，与北美等工业化国家和地区广泛使用的木结构类似，更加低碳、环保。现代竹结构主要 采用现代胶合技术使空心圆竹成为基于竹纤维的复合材料，从而适合采用类似现代木结构的设计和施工方 法，且材料和结构性能可以通过现代试验方法进行检测验证。国内外不少研究者在现代竹结构的研究方面 做了比较系统的工作，现代竹结构作为一种新型结构体系的轮廓逐渐显现。通过分析该体系的发展过程，总 结相关研究内容，对现在竹结构体系在装配式活动板房、轻型竹结构房屋、大空间框架体系和桥梁方面的应 用实例进行介绍，并对现代竹结构的发展现状及其优缺点进行分析和总结。现代竹结构的发展进展表明现 代竹结构体系在土木工程这一领域将大有可为。
关键词： 现代竹结构； 格鲁斑胶合竹材； 竹材人造板； 装配式板房； 桥梁 DOI： 10. 13204 / j． gyjz201504001
THE STATE OF THE AＲT OF MODEＲN BAMBOO STＲUCTUＲES
Xiao Yan1，2 Li Jia3 （ 1． International Ｒesearch Center of Building Safety and Environment of China Ministry of Science and Technology，Hunan University，Changsha 410082，China； 2． Department of
近年来，针对胶合竹材力学性能的研究受到了 国内 外 学 者 们 的 关 注。哥 伦 比 亚 学 者 Correal 和 Lopez 通过试验发现胶合竹材的力学性能完全能媲 美优质的结构用木材。陈士英等的研究表明，竹材 刨花板具有良好的抗蠕变性能，其蠕变规律类似于 Yeh 等人的研究成果［9］。于文吉等则探讨了热压压 力、施胶量、竹龄和组坯方式对胶合性能的影响［10］。 曾竞谊对胶合竹梁进行了疲劳试验与静载破坏试 验，结果表明： 胶合竹梁具有良好的抗疲劳性能［11］。 费本华对竹材结构连接件的承载能力进行了静载试 验，表明连接件不仅具有很高的强度、刚度和延性，
1概述
竹材作为结构来使用在人类的建筑历史上由来 已久，早期的人类利用原竹搭建房屋，并形成了许多 具有历史文化的竹结构建筑，如湖南湘西的吊脚楼， 西南傣族 的“干 阑 式 ”竹 楼 等。 这 些 建 筑 不 但 具 有 与当地民俗 风 情 相 一 致 的 艺 术 美 感，同 时，就 地 取 材，能大大节约建造成本。在很长一段时间里，原竹 结构建筑在我国历史上占据着重要地位。但是，随
湖南大学现代竹木及组合结构研究所对轻型框 架竹结构的抗震性能进行了研究，理论分析了竹结 构建筑的抗侧力系统［19］，并进行了足尺模型的振动 台试验和推覆试验［20］，对竹结构建筑的动力特性进 行探讨，明确其破坏机理，研究其变化规律等。南京 林业大学的魏洋等也对采用不同形式的竹结构房屋 的抗震性能方面做了研究［21］。
国内外近年来对竹结构进行了许多方面的研 究，但通过分析以往文献可知，尽管对竹结构方面已 开展了广泛的研究，却仍存在一些不足之处，主要表 现在： 1） 相对于钢结构和混凝土结构，现代竹结构 不管是材料还是结构的性能研究都不够深入，并没 有提供相对可靠的计算公式和研究理论； 2） 试验试 件的数量较小，纵观近些年的研究，试验所采用的样 本数量较少，无法提供大量的、系统的试验数据； 3） 研究理论的适用性不足，考虑到胶合竹材的种类较 多，且没有一个相对统一的材料标准，建立统一可靠 的设计理论还有待加强。
早在 20 世纪 50 年代，中国许多学者［5］就对竹 材开展了研究，为现代竹结构的研究奠定了一定的 基础。随后，在竹材的加工工艺上进行了一系列的 探索，发明了竹材人造板。通过将原竹材加工成长 条、去除内节、干燥、浸胶、组坯、热压、锯边等工序， 将竹材加 工 成 竹 材 人 造 板 使 用［6］。随 着 技 术 的 发 展，不断创新出竹席胶合板、竹帘胶合板、竹片胶合 板、竹碎料板以及竹木复合板［7］等。
百度文库
大、强度高、耐磨损等优点。此外，竹材经过水热反 应后能有效地防止虫蛀和腐蚀。竹材人造板主要包 括： 胶合竹材、竹碎料板、竹层积材、竹纤维板和各种 竹质板以及竹基装饰板或复合板等。在竹材人造板 发展初期，主要被用于车辆底板、混凝土模板、集装 箱板［4］等，由 于 这 类 竹 材 人 造 板 在 结 构 中 强 度 低， 并不做承重结构，所以该类用途不在本文的论述范 围之内。本文所介绍的现代竹结构都是以胶合竹材 作为主要承重结构的形式。 2. 2 现代竹结构的发展和现状 2. 2. 1 材料的创新和发展
我国森林 资 源 形 势 严 峻，竹 材 资 源 相 对 丰 富， 2005 年 11 月 29 日，国务院办公厅 转 发 国 家 发 改 委、科技 部、建 设 部、铁 道 部、环 保 总 局、林 业 局 等 12 个国家部门联合发布 《关于加快推进木材节约 和代用工作 的 意 见 》，指 出 当 前 我 国 需 要 找 到 一 种 合适的建筑材料以取代木材。
还拥有较好的整体受力特征，能提供可靠的剪力传 递［12］。盛素玲、朱建新则对竹结构建筑的可呼吸性 保温隔热围护进行了研究，分析了采用“壁工法”建 成的竹结构 房 屋 的 保 温 隔 热 性 能［13］。 朱 一 辛 等 对 木竹重组材的开发前景、抗弯性能与水平剪切性能 等进行了一系列的研究［14 － 16］。张晓东利用有限单 元法对木竹复合层合板的力学性能进行了分析［17］。 此外，陈绪和等对竹材人造板节点与木节点进行分 析，发现竹节点除了具有良好的强度性能外，还具有 很好的延性，当荷载到达极限时，竹节点不会发生劈 裂，竹材梁构件不易发生瞬间破坏［18］。
Civil Engineering，University of South California，Los Angeles CA90089，USA； 3． Liuyang Public Works，Liuyang 410300，China）
Abstract： Modern bamboo structure is a new kind of structural system，receiving more and more attentions in today's move towards sustainable construction． Comparing with conventional systems，such as steel and concrete structures， the modern bamboo structural system is based on the natural bamboo as raw materials． Similar to but even better than timber materials，bamboo is a carbon negative material． Modern bamboo structure is essentially a bamboo fiber-based composite material，adopting similar forms as modern wooden structures which are widely used in industrialized countries． A systematic research work was done by domestic and overseas researchers in modern bamboo structures， through which the modern bamboo structure system was gradually shaping． This paper analyzed the development of the system，and summarized the research progress，and finally，some application demonstrations of modern bamboo structures in prefabricated movable house，light bamboo house and large-space frame system etc were described． Clearly，it is shown that modern bamboo structure system will have bright prospects in near future and at least is an alternative choice for consideration of sustainability． Keywords： modern bamboo structure； GluBam； bamboo board； prefabricated house； bridges
Industrial Construction Vol. 45，No. 4，2015
工业建筑 2015 年第 45 卷第 4 期 1
在： 1） 原竹材料建造的房屋具有极大的随机性，技 术含量低； 2） 原竹材料内中空，自身的直径和长度 有限且不规则，大大局限了使用范围； 3） 原竹的各 向异性造成节点复杂； 4） 居住使用感不佳，原竹之 间存在缝隙，保温隔热功能差。为克服传统竹结构 的缺陷，需要寻求和研发一种轻质、环保，可持续的 绿色新型建筑结构体系———现代竹结构体系。
a—传统竹结构房屋； b—现代竹结构房屋 图 1 竹结构房屋
Fig． 1 Bamboo structural houses
2 现代竹结构的发展概况 2. 1 现代竹结构的内涵
现代竹结构主要使用竹胶合材和竹材人造板。 竹胶合板材以原竹为材料，通过一系列机械和化学 加工工序形成各种不同几何形状的结构单元，再在 一定的温度和压力下，利用化学黏结剂或材料自身 的结合力，压制而成的板状材料［3］。板材不仅保持 了竹材的物理、力学性能，同时还具有变形小、硬度 2
现代竹结构体系是基于现代力学、材料学、结构 设计及实验学等理论，通过开发新型竹结构材料，建 立工业化生产方法、利用现代结构设计、施工方法以 及维护技 术［2］ 将 竹 材 构 件 拼 接 安 装 而 成 的 一 种 新 型结构体系。与传统竹结构相比，它具有以下鲜明 特点（ 图 1） ： 1） 结构体系是基于现代结构设计理论； 2） 大量使用各种竹质工程材料，使得材料方面更能 满足不同工程实践的需要； 3） 一般为工厂规格化的 生产材料，易于形成全套的制作、检验标准，大大减 小了原竹材料随机性和离散性，使材料的质量更为 稳定。
着砖瓦材料的诞生、钢筋混凝土结构和钢结构的大 量运用，竹结构的发展渐渐停滞不前，其主要的原因 在于天然 的 竹 材 具 有 一 定 的 局 限 性［1］，主 要 表 现
* 国家自然科学基金重点项目（ 50938002） 。 第一作者： 肖岩，男，1961 年出生，博士，教授，博士生导师，教育部长 江学者特聘教授。 电子信箱： yanxiao@ hnu． edu． cn 收稿日期： 2014 － 12 － 20
在此基础上，肖岩课题组发明了一种具有特定 的纤维排列方式、且经过特殊工艺加工的格鲁斑胶 合竹材［8］。该 胶 合 竹 材 可 以 根 据 结 构 需 要 设 计 纤 维排列方式和配比方式以及构件形式。
研究表明，现代竹结构建筑通过采用先进的生 产技术、科学的研究、工业化的规范制作技术以及材 料科学的应用，比原生态的竹材作为建筑材料能更 大程度地利用竹材。 2. 2. 2 胶合竹材的物理力学性能研究
现代竹结构的研究现状和展望*
肖 岩1，2 李 佳3
（ 1． 湖南大学建筑安全与环境国家级国际联合研究中心，长沙 410082； 2． 南加州大学土木系，洛杉矶 CA90089； 3． 浏阳市工务局，湖南浏阳 410300）
摘 要： 现代竹结构是一种新型的结构体系，相比于钢结构和混凝土结构体系，其最大的不同在于采用 天然竹材为原材料，与北美等工业化国家和地区广泛使用的木结构类似，更加低碳、环保。现代竹结构主要 采用现代胶合技术使空心圆竹成为基于竹纤维的复合材料，从而适合采用类似现代木结构的设计和施工方 法，且材料和结构性能可以通过现代试验方法进行检测验证。国内外不少研究者在现代竹结构的研究方面 做了比较系统的工作，现代竹结构作为一种新型结构体系的轮廓逐渐显现。通过分析该体系的发展过程，总 结相关研究内容，对现在竹结构体系在装配式活动板房、轻型竹结构房屋、大空间框架体系和桥梁方面的应 用实例进行介绍，并对现代竹结构的发展现状及其优缺点进行分析和总结。现代竹结构的发展进展表明现 代竹结构体系在土木工程这一领域将大有可为。
关键词： 现代竹结构； 格鲁斑胶合竹材； 竹材人造板； 装配式板房； 桥梁 DOI： 10. 13204 / j． gyjz201504001
THE STATE OF THE AＲT OF MODEＲN BAMBOO STＲUCTUＲES
Xiao Yan1，2 Li Jia3 （ 1． International Ｒesearch Center of Building Safety and Environment of China Ministry of Science and Technology，Hunan University，Changsha 410082，China； 2． Department of
近年来，针对胶合竹材力学性能的研究受到了 国内 外 学 者 们 的 关 注。哥 伦 比 亚 学 者 Correal 和 Lopez 通过试验发现胶合竹材的力学性能完全能媲 美优质的结构用木材。陈士英等的研究表明，竹材 刨花板具有良好的抗蠕变性能，其蠕变规律类似于 Yeh 等人的研究成果［9］。于文吉等则探讨了热压压 力、施胶量、竹龄和组坯方式对胶合性能的影响［10］。 曾竞谊对胶合竹梁进行了疲劳试验与静载破坏试 验，结果表明： 胶合竹梁具有良好的抗疲劳性能［11］。 费本华对竹材结构连接件的承载能力进行了静载试 验，表明连接件不仅具有很高的强度、刚度和延性，
1概述
竹材作为结构来使用在人类的建筑历史上由来 已久，早期的人类利用原竹搭建房屋，并形成了许多 具有历史文化的竹结构建筑，如湖南湘西的吊脚楼， 西南傣族 的“干 阑 式 ”竹 楼 等。 这 些 建 筑 不 但 具 有 与当地民俗 风 情 相 一 致 的 艺 术 美 感，同 时，就 地 取 材，能大大节约建造成本。在很长一段时间里，原竹 结构建筑在我国历史上占据着重要地位。但是，随
湖南大学现代竹木及组合结构研究所对轻型框 架竹结构的抗震性能进行了研究，理论分析了竹结 构建筑的抗侧力系统［19］，并进行了足尺模型的振动 台试验和推覆试验［20］，对竹结构建筑的动力特性进 行探讨，明确其破坏机理，研究其变化规律等。南京 林业大学的魏洋等也对采用不同形式的竹结构房屋 的抗震性能方面做了研究［21］。
国内外近年来对竹结构进行了许多方面的研 究，但通过分析以往文献可知，尽管对竹结构方面已 开展了广泛的研究，却仍存在一些不足之处，主要表 现在： 1） 相对于钢结构和混凝土结构，现代竹结构 不管是材料还是结构的性能研究都不够深入，并没 有提供相对可靠的计算公式和研究理论； 2） 试验试 件的数量较小，纵观近些年的研究，试验所采用的样 本数量较少，无法提供大量的、系统的试验数据； 3） 研究理论的适用性不足，考虑到胶合竹材的种类较 多，且没有一个相对统一的材料标准，建立统一可靠 的设计理论还有待加强。
早在 20 世纪 50 年代，中国许多学者［5］就对竹 材开展了研究，为现代竹结构的研究奠定了一定的 基础。随后，在竹材的加工工艺上进行了一系列的 探索，发明了竹材人造板。通过将原竹材加工成长 条、去除内节、干燥、浸胶、组坯、热压、锯边等工序， 将竹材加 工 成 竹 材 人 造 板 使 用［6］。随 着 技 术 的 发 展，不断创新出竹席胶合板、竹帘胶合板、竹片胶合 板、竹碎料板以及竹木复合板［7］等。
百度文库
大、强度高、耐磨损等优点。此外，竹材经过水热反 应后能有效地防止虫蛀和腐蚀。竹材人造板主要包 括： 胶合竹材、竹碎料板、竹层积材、竹纤维板和各种 竹质板以及竹基装饰板或复合板等。在竹材人造板 发展初期，主要被用于车辆底板、混凝土模板、集装 箱板［4］等，由 于 这 类 竹 材 人 造 板 在 结 构 中 强 度 低， 并不做承重结构，所以该类用途不在本文的论述范 围之内。本文所介绍的现代竹结构都是以胶合竹材 作为主要承重结构的形式。 2. 2 现代竹结构的发展和现状 2. 2. 1 材料的创新和发展
我国森林 资 源 形 势 严 峻，竹 材 资 源 相 对 丰 富， 2005 年 11 月 29 日，国务院办公厅 转 发 国 家 发 改 委、科技 部、建 设 部、铁 道 部、环 保 总 局、林 业 局 等 12 个国家部门联合发布 《关于加快推进木材节约 和代用工作 的 意 见 》，指 出 当 前 我 国 需 要 找 到 一 种 合适的建筑材料以取代木材。