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        固強大講堂文章

          新型抗震竹質工程材料安居示范房及關鍵技術

          瀏覽次數:1918

          新型抗震竹質工程材料安居示范房及關鍵技術
          呂清芳1 魏洋2 張齊生2,禹永哲3 呂志濤1
          (1東南大學土木工程學院,南京210096)
          (2南京林業大學,南京210037;3南京固強建筑技術有限公司,南京210001)

          摘要:汶川大地震的慘劇使得廣大的研究人員對結構的抗震性能給予了更大的關注。以竹質工程材料為基礎的竹結構在生態性、工業化、施工、節能、抗震性能和經濟性方面都具有良好的優勢,本文重點介紹了新型竹結構抗震安居示范房的關鍵技術,主要包括竹質工程材料的選擇、結構設計的主要抗震思想、關鍵節點設計、竹質工程材料的防潮與結構的防火措施。該工程的成功建設為汶川地震后村鎮住宅的重建提供了一個可供選擇的良好方案。

          關鍵詞:竹質工程材料;竹結構;抗震;汶川地震;重建
          Key Technologies of the New Anti-Seismic Model Living Room with Bamboo Engineering Materials
          Lü Qing-fang1 Wei Yang2 Zhang qi-sheng2 Yu Yong-zhe3 Lü Zhi-tao1
          (1 College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)
          (2 Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)
          (3 Nanjing Guqiang Construction Technology Co.Ltd , Nanjing 210001)

           

          ABSTRAT:Wenchuan earthquake tragedy makes the majority of the researchers giving greater attention on the structure seismic performance. The bamboo structure constructed by bamboo engineering materials have good advantages in the ecological, industrial, construction, energy conservation, seismic performance and economy. Emphasis is given to the key technologies of the new bamboo anti-seismic model living room, including the choice of bamboo engineering materials, the main ideas in structural anti-seismic design, the key nodes design, moisture-proof of bamboo engineering materials and the fire prevention measures of the structure. The completed bamboo structure provides a good alternative scheme for the reconstruction of residential villages and towns after Wenchuan earthquake.
          Keywords: Bamboo engineering materials; Bamboo structure; Anti-seismic; Wenchuan earthquake; Reconstruction
          1引
          2008年5月12日,在四川汶川縣發生8.0級地震,地震造成了大量人員傷亡和財產損失。地震災害情況統計表明,結構的抗震性能主要決定于結構的體系類別,其中,磚混結構在各種結構體系中的抗震性能表現最差,而磚混結構是震區中最普遍的結構形式,村鎮的住宅、教學樓大多采用這種結構,此類結構在地震中普遍發生整體倒塌、墻體剪切、預制板墜落等嚴重破壞形式;然而,在地震中,木結構表現出了良好的抗震性能,木結構出色的抗震性能也得到了國內外歷次地震的證實,但是,由于我國森林資源匱乏,20世紀80年代以來,國家有關部門為保護我國森林資源,一直提倡節約木材,特別是在建筑領域,木結構發展受到較大的制約。相比較,我國竹材資源豐富,竹結構建筑具有與木結構相似的突出優勢,而過去由于竹材本身材料發展的局限,竹結構建筑一直處于起步階段,隨著竹簾膠合板、竹材層積材、竹材重組材等多種竹質工程材料的成功開發,制作力學性能均勻穩定的各種尺寸的結構構件已成為可能。因此,在汶川災后重建工作中,要長治久安地解決近千萬人的居住和生活問題,設計和建造竹質工程材料的新型抗震安居房是一種可供選擇的良好方案。
          2竹結構建筑的優點 
          竹材是我國重要的自然資源之一,我國的竹結構建筑可謂源遠流長。作為一種廉價、易得的建筑材料,在我國南方的農村地區竹材房屋一直非常普遍,利用現代復合、重組技術,竹材可以制成建筑結構的主要承重構件及裝修材料,包括板、梁、柱及墻體和門窗、天花板等。除了竹材輕質高強、韌性好、耐磨等優點,竹結構建筑具有許多其它結構類型所不具備的獨特優勢['1']~['3']: 
          (1)材料的生態性 竹材生長快,成材早,屬于短周期的可再生森林資源,一次造林可以持續利用,與木材相比,竹材在種植、生長、管護等方面具有更大的優勢;竹材的采集、加工、制造以及竹建筑的建造過程、廢棄處理對環境的污染破壞小,而傳統的混凝土、鋼筋的生產過程本身就會造成污染,另外,竹結構建筑具有比較容易的可拆除重建性;竹材的利用開發,有利于環境質量提高和生態平衡,對環境保護和經濟的可持續性發展具有顯著的意義.
          (2)工業化程度高、施工速度快 竹結構建筑的施工類似于輕鋼結構,主要構件及節點在工廠預先加工,構件容易實現標準化,通過現場關鍵節點的裝配連接即可迅速完成建造過程,安裝速度快,需求工人數量少,1棟200m2的兩層住宅僅需要5~6人40天左右即可完成。 
          (3)保溫節能性 竹材人造板導熱系數約為0.14~0.18W/(m.K),低于粘土磚、混凝土,能夠保證竹結構建筑具有較高的節能效益;另外,竹材人造板生產和使用過程能耗較低。
          (4)優良的抗震性能 竹材具有較高的強重比,因而竹結構一般比其它類型的結構重量輕,尤其是較輕的竹結構樓面、屋頂,使得竹結構建筑在地震中的遭受的地震作用荷載較??;竹結構通常采用金屬節點錨栓連接,在地震側向荷載作用下,具有較好的變形能力,結構體系具有很好的柔性,能夠吸收和耗散地震中的大量能量。竹屋優良的抗震性能也得到了相關試驗的證實,英國木材研究和發展協會與位于印度中部的中央電力研究所于2004年2月完成了一項竹結構房屋抵御高強度地震的試驗,用作試驗的竹屋能夠抵御印度曾遭遇過的里氏7級地震和日本兵庫發生的里氏7.8級地震而安然無恙,竹屋表現出了抵抗強地震的能力['4']。
          3竹質工程材料及其基本性能
          原竹是小直徑的空心圓柱體,由于中空、壁薄、尖削度大,并且存在開裂、腐蝕、容易霉變的缺陷,原竹本身不能直接滿足現代建筑結構的主要構件的需要,因此,必須利用現代復合、重組技術對原竹進行加工改性,才能制作出能夠適應現代工程結構的竹質工程材料。竹質工程材料是以原竹為主要原材料,采用高性能的環保型膠粘劑,經過現代竹材加工技術制成的復合竹材['5']~['6']。目前,此類結構材料主要以竹簾膠合板、竹材層積材、竹材重組材等為代表,它們不僅保留了原竹的優良特性,同時消除了竹材的各向異性、材質不均和易干裂的缺點,還解決了原竹防潮、防腐、防霉、阻燃等突出問題,同時提高了竹材的利用率,成品規格靈活多樣,可適應工程的多種需要,便于實現工廠化生產,拓寬了竹材的應用領域。

          表1給出了3種性能較好的竹質工程材料及馬尾松的力學性能比較,在力學性能及其穩定性方面,竹材重組材最好,竹材層積材優于竹簾膠合板??傮w來說,幾種竹質工程材料的靜彎曲強度、順紋抗壓強度均高于馬尾松,彈性模量接近甚至超過馬尾松,各項性能均優于一般木材。根據各種竹質工程材料的特性,并結合各主要構件的受力特點,本竹結構抗震安居示范房采用竹簾膠合板制作樓屋面板及墻板構件、竹材層積材制作梁、竹材重組材制作柱(分別如圖1(a)~(c)所示)。
          表1幾種竹質工程材料與松木的力學性能比較

          順紋抗壓強度 MPa



          竹材重組材1.1017214300117.5
          竹材層積材0.9513011000
          竹簾膠合板0.85-0.9011010000
          馬尾松0.5979.41200036.9


           

                                         
          (a) 樓屋面板(竹簾膠合板)                                  (b) 梁(竹材層積材)                                      (c) 柱(竹材重組材)
          圖1 竹質工程材料構件

           

          4竹結構抗震安居示范房的設計
          4.1工程概況
          由于該住宅的使用對象為震災后廣大農村居民,本建筑設計為每戶獨立式住宅建筑(如圖2),由其建筑面積約180平方米,大于一般單元式住宅每一戶的建筑面積,而又小于目前我國一般獨立式別墅的建筑面積,不設車庫,滿足使用者居住生活的基本功能需要。底層入口設于正立面中間,傳承當地民居建筑文化;結合時代特色,將入口處雨棚擴展為柱廊。內部空間也結合傳統與現代生活特點,入口與右側空間合為一較大的家庭活動的室內空間,入口左側設一間臥室,廚房和餐廳面積較大,餐廳內用戶可根據需要設置儲藏空間。二層設三間臥室,有主有次,并于北面設置一個小的家庭活動室,也可根據家庭人口需要改為臥室。南面結合底層門廊設置室外平臺,滿足晾曬需要,并營造室內外空間的連通。根據建筑使用功能、室內空間比例、建筑經濟性的要求,取一層層高3.2m,二層層高2.8m,二層吊頂設于屋架下弦,底層凈高約3m,二層凈高基本等于層高為2.8m。

           


           

          4.2結構設計的主要抗震思想
           


           

          對于災區的新型抗震安居房而言,在地震(余震)活動較為頻繁的地區進行災后重建必須著重結構抗震能力,設計要符合國家“小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設防原則。根據抗震要求,結構平面布置注重規則對稱,以避免在水平地震力作用下結構發生扭轉;立面和豎向則力求規則,保證結構側向剛度均勻變化;同時考慮整體性,保證抗側力構件之間的可靠聯系?,F代木結構的主要結構形式有“梁柱結構體系”和“輕型木結構體系”兩種['7']~['8'],梁柱結構體系是一種傳統的建筑形式,其由跨度較大的梁柱結構形成主要的受力體系,承受主要荷載,輕型木結構是由構件斷面較小的規格材和面板均勻密布連接組成的一種空間箱形體系,它由主要結構構件(結構骨架)和次要結構構件(墻面板、樓面板和屋面板)共同作用、承受各種荷載,具有經濟、安全、結構布置靈活的特點。本結構充分發揮竹材輕質高強的特點,借鑒兩種結構體系的成功經驗,結構體系總體上采用梁-柱 + 擱柵-墻骨柱構成的多約束、多傳力路徑的受力體系,首層梁柱平面布置如圖3所示,框架柱與主梁組成多榀平行框架,抵抗地震作用下的水平側向力;除了框架柱以外,還在門窗開洞的兩端增設墻骨柱,并在墻內設置斜向支撐和水平橫撐來增加墻體的抗側剛度和側向承載力(如圖4),框架柱和墻體形成了多重抗側力體系,更增加了抗震能力;為了保證墻體具有足夠剛度,其骨架構件的規格尺寸需滿足變形要求,骨架與面板之間的連接應該牢固、可靠,以確保墻體的整體作用。
          為了加強結構的整體性,每層高度處均設置貫通的竹制圈梁,窗口上下均設置連系梁;
          樓面采用板(16mm厚)-擱柵-梁構成的受力體系,用螺釘連接節點,同時骨架與面板之間需牢固、可靠連接,以確保樓面板的整體作用;考慮抗震設防要求,地震區屋架采用四支點的竹質屋架,配合斜放簡支檁條掛瓦,屋架端部必須與竹柱可靠錨固,在水平懸挑部分用水平撐桿支撐到框架柱上;為了減輕結構的自重,屋面蓋瓦盡可能采用輕質瓦,如瀝青瓦、石棉瓦等,以減輕地震作用。
          4.3關鍵節點設計
          節點連接是木結構的最關鍵問題之一,構件的連接設計除了應該保證強度、傳遞荷載之外,還應防止構件產生開裂,并且從設計和構造節點上允許構件收縮和膨脹。木結構中常用的連接方式主要有榫卯連接、齒連接、齒板連接、普通釘接和螺栓連接等等['9']。榫卯連接是中西方傳統的木構件常用的連接方式,由于榫卯的存在,削弱了構件截面,因此不利于受力,且節點加工較復雜;齒連接是方木和原木結構中常用的連接方式,這種連接也會削弱構件的截面,不太適用于本結構;齒板連接廣泛地用于構件的接長和接厚,這種連接節點抗壓能力較低,且齒板容易銹蝕,由于竹質材料的硬度較大,板齒釘入構件困難,這種節點在本結構中很難應用;普通釘接承載能力相對較低,只能用于受力較小或基本不受力的連接,可用于本結構中樓面板、墻面板的連接固定;螺栓連接適用于一般的木結構,這種節點可以承受較大的內力,在現代木結構中廣泛應用,同樣較適合用于本結構的節點連接。

           


           

          借鑒輕型木結構所使用的構件螺栓連接,對本竹結構房屋主要構件節點使用的金屬連接件和螺栓進行了詳細的設計。(1)柱與基礎節點。竹柱的柱腳插入250mm高8mm厚矩形鋼筒內,采用4個M16的對拉螺栓在2個方向對竹柱與鋼筒之間進行固定,如圖5(a)所示,矩形鋼筒焊接于底部10mm厚鋼板,由4個M20錨栓錨固于基礎,保證地震作用下上部結構與基礎間不發生錯動;(2)墻骨柱與基礎的連接節點。每根墻骨柱通過2片對稱角鋼實現其與基礎的連接:竹墻骨柱與L形角鋼之間通過釘接固定,L形角鋼與基礎通過M12錨栓固定,如圖5(b)所示;(3)柱與梁的連接節點。如圖5(c)所示,在竹柱的四周通過螺栓固定了連接鋼板,在連接鋼板的外側焊接U形托,以實現對竹梁的支撐,梁端伸入U形托后,通過螺栓固定梁的位置;(4)主、次梁的連接節點。如圖5(d)所示,通過2個相互垂直焊接的U形鋼板連接件實現型主、次梁之間連接,U形鋼板與主梁和次梁各通過2根對拉螺栓固定。其它連接節點與以上節點類似,不一一給出,這些節點的設計,能滿足各類復雜節點的連接要求,傳力路徑明確;同時,預加工的金屬連接件保證了結構的安裝速度、安裝質量,有利于實現住宅的標準化、工業化;另外,此類節點對保證結構良好的抗震性能是有利的,螺栓連接使得結構具有一定的變形能力,金屬節點保證了“強節點,弱構件”的抗震理念。
           

          4.4其他設計
              基礎采用混凝土淺基礎,并根據實際地質情況沿軸線設置地圈梁加強結構整體性,調節不均勻沉降。外墻采用雙層竹簾膠合板墻板,中間添加保溫層,保溫材料是玻璃纖維、礦棉或棉氈,墻外側鋪設鋼絲網粉刷砂漿,既滿足建筑節能要求,又滿足建筑防盜要求,很大程度上提高了建筑的舒適性和安全性。內墻根據隔聲要求采用中空雙層竹簾膠合板墻板,中。間填。塞隔聲材料。
          雖然竹質工程材料已經可以通過生產工藝具備良好的耐火、防潮和耐腐蝕性能,但是在干濕循環作用下仍存在老化現象,各項力學性能指標都會發生少量削減,因此在結構方面必須考慮這一因素。首先,在結構設計計算中,各項力學性能指標都綜合現有竹質工程材料的老化試驗研究結果給予折減,充分考慮材料老化的影響;其次,考慮到二層的陽臺也為竹制,為減輕干濕循環造成的影響,除了設計中采取強度和剛度折減以外,在構造上將屋面出挑與陽臺外沿平,同時為挑出屋面部分做三角撐以支承屋面檁條;第三,將底層樓面架空高于地面600mm以上,底層樓面固定在混凝土底座上,南北兩主要立面上混凝土底梁下至室外地面間留空,保證空氣流通,防止潮氣郁塞
          防火方面,可根據現行《建筑設計防火規范》中的規定靈活應用,墻體、天棚可采用防火石膏板作為飾面。
          5結論
          本文系統地分析了竹結構建筑的優勢之處,與其它結構相比,竹結構在生態性、工業化、施工、節能、抗震性能和經濟性方面都具有顯著的優勢,許多方面都與木結構相似,尤其具有比木結構更好的生態性;在對目前3種性能較好的竹質工程材料制造工藝、特點進行對比分析的基礎上,選擇了不同的竹質工程材料制作了新型竹結構抗震安居示范房的主要構件,具體為竹簾膠合板制作樓屋面板及墻板、竹材層積材制作梁、竹材重組材制作柱,隨后重點介紹了竹結構抗震安居示范房設計的關鍵技術,主要包括結構設計的主要抗震思想、關鍵節點設計、竹質工程材料的防潮與結構的防火措施。目前,該工程已在南京林業大學的校園內開工建設,一層施工已基本完成,關鍵技術的解決對確保該工程的順利進展具有重要的作用。該新型竹結構抗震安居示范房的成功建設為汶川地震后村鎮住宅的重建提供了一個良好的選擇。

           

          致謝

          本文研究得到了南京林業大學蔣身學教授、楊平教授、黃東升教授、東南大學吳剛教授、歐曉星老師等的幫助和支持,在此表示深深地感謝!

          參考文獻

          ['1'] 葉明,錢城,郝赤彪.新型綠色建材─竹材人造板探討['J'].青島理工大學學報,2007,28(5):41-44.

          ['2'] 朱建新,盛素玲.淺談竹結構建筑的生態性['J'].建筑科學,2005,21(4):92-94.

          ['3'] 鄭凱,陳緒和.竹材人造板在預制房屋建造中的應用前景['J'].世界竹藤通訊,2006, 4(1):1-5.

          ['4'] 竹屋抗震性能令人吃驚—世界林業動態. ['J'].世界竹藤通訊,2004,2(4):10.

          ['5'] 孫正軍, 程強, 江澤慧.竹質工程材料的制造方法與性能['J'].復合材料學報,2008, 24(1):80-83.

          ['6'] 李琴,汪奎宏,華錫奇.重組竹生產工藝的初步研究['J'].人造板通訊,2001,7:6-9.

          ['7'] 孫紅亮.輕型木結構住宅的性能研究['J'].天津建設科技, 2007,3:33-36.

          ['8'] 程海江.現代木結構建筑在我國的應用模式及前景研究['D'].同濟大學碩士論文,2007.

          孫永良.輕型木結構齒板連接節點承載能力研究['D'].同濟大學碩士論文,2007.


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            新型抗震竹質工程材料安居示范房及關鍵技術
            呂清芳1 魏洋2 張齊生2,禹永哲3 呂志濤1
            (1東南大學土木工程學院,南京210096)
            (2南京林業大學,南京210037;3南京固強建筑技術有限公司,南京210001)

            摘要:汶川大地震的慘劇使得廣大的研究人員對結構的抗震性能給予了更大的關注。以竹質工程材料為基礎的竹結構在生態性、工業化、施工、節能、抗震性能和經濟性方面都具有良好的優勢,本文重點介紹了新型竹結構抗震安居示范房的關鍵技術,主要包括竹質工程材料的選擇、結構設計的主要抗震思想、關鍵節點設計、竹質工程材料的防潮與結構的防火措施。該工程的成功建設為汶川地震后村鎮住宅的重建提供了一個可供選擇的良好方案。

            關鍵詞:竹質工程材料;竹結構;抗震;汶川地震;重建
            Key Technologies of the New Anti-Seismic Model Living Room with Bamboo Engineering Materials
            Lü Qing-fang1 Wei Yang2 Zhang qi-sheng2 Yu Yong-zhe3 Lü Zhi-tao1
            (1 College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)
            (2 Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)
            (3 Nanjing Guqiang Construction Technology Co.Ltd , Nanjing 210001)

             

            ABSTRAT:Wenchuan earthquake tragedy makes the majority of the researchers giving greater attention on the structure seismic performance. The bamboo structure constructed by bamboo engineering materials have good advantages in the ecological, industrial, construction, energy conservation, seismic performance and economy. Emphasis is given to the key technologies of the new bamboo anti-seismic model living room, including the choice of bamboo engineering materials, the main ideas in structural anti-seismic design, the key nodes design, moisture-proof of bamboo engineering materials and the fire prevention measures of the structure. The completed bamboo structure provides a good alternative scheme for the reconstruction of residential villages and towns after Wenchuan earthquake.
            Keywords: Bamboo engineering materials; Bamboo structure; Anti-seismic; Wenchuan earthquake; Reconstruction
            1引
            2008年5月12日,在四川汶川縣發生8.0級地震,地震造成了大量人員傷亡和財產損失。地震災害情況統計表明,結構的抗震性能主要決定于結構的體系類別,其中,磚混結構在各種結構體系中的抗震性能表現最差,而磚混結構是震區中最普遍的結構形式,村鎮的住宅、教學樓大多采用這種結構,此類結構在地震中普遍發生整體倒塌、墻體剪切、預制板墜落等嚴重破壞形式;然而,在地震中,木結構表現出了良好的抗震性能,木結構出色的抗震性能也得到了國內外歷次地震的證實,但是,由于我國森林資源匱乏,20世紀80年代以來,國家有關部門為保護我國森林資源,一直提倡節約木材,特別是在建筑領域,木結構發展受到較大的制約。相比較,我國竹材資源豐富,竹結構建筑具有與木結構相似的突出優勢,而過去由于竹材本身材料發展的局限,竹結構建筑一直處于起步階段,隨著竹簾膠合板、竹材層積材、竹材重組材等多種竹質工程材料的成功開發,制作力學性能均勻穩定的各種尺寸的結構構件已成為可能。因此,在汶川災后重建工作中,要長治久安地解決近千萬人的居住和生活問題,設計和建造竹質工程材料的新型抗震安居房是一種可供選擇的良好方案。
            2竹結構建筑的優點 
            竹材是我國重要的自然資源之一,我國的竹結構建筑可謂源遠流長。作為一種廉價、易得的建筑材料,在我國南方的農村地區竹材房屋一直非常普遍,利用現代復合、重組技術,竹材可以制成建筑結構的主要承重構件及裝修材料,包括板、梁、柱及墻體和門窗、天花板等。除了竹材輕質高強、韌性好、耐磨等優點,竹結構建筑具有許多其它結構類型所不具備的獨特優勢['1']~['3']: 
            (1)材料的生態性 竹材生長快,成材早,屬于短周期的可再生森林資源,一次造林可以持續利用,與木材相比,竹材在種植、生長、管護等方面具有更大的優勢;竹材的采集、加工、制造以及竹建筑的建造過程、廢棄處理對環境的污染破壞小,而傳統的混凝土、鋼筋的生產過程本身就會造成污染,另外,竹結構建筑具有比較容易的可拆除重建性;竹材的利用開發,有利于環境質量提高和生態平衡,對環境保護和經濟的可持續性發展具有顯著的意義.
            (2)工業化程度高、施工速度快 竹結構建筑的施工類似于輕鋼結構,主要構件及節點在工廠預先加工,構件容易實現標準化,通過現場關鍵節點的裝配連接即可迅速完成建造過程,安裝速度快,需求工人數量少,1棟200m2的兩層住宅僅需要5~6人40天左右即可完成。 
            (3)保溫節能性 竹材人造板導熱系數約為0.14~0.18W/(m.K),低于粘土磚、混凝土,能夠保證竹結構建筑具有較高的節能效益;另外,竹材人造板生產和使用過程能耗較低。
            (4)優良的抗震性能 竹材具有較高的強重比,因而竹結構一般比其它類型的結構重量輕,尤其是較輕的竹結構樓面、屋頂,使得竹結構建筑在地震中的遭受的地震作用荷載較??;竹結構通常采用金屬節點錨栓連接,在地震側向荷載作用下,具有較好的變形能力,結構體系具有很好的柔性,能夠吸收和耗散地震中的大量能量。竹屋優良的抗震性能也得到了相關試驗的證實,英國木材研究和發展協會與位于印度中部的中央電力研究所于2004年2月完成了一項竹結構房屋抵御高強度地震的試驗,用作試驗的竹屋能夠抵御印度曾遭遇過的里氏7級地震和日本兵庫發生的里氏7.8級地震而安然無恙,竹屋表現出了抵抗強地震的能力['4']。
            3竹質工程材料及其基本性能
            原竹是小直徑的空心圓柱體,由于中空、壁薄、尖削度大,并且存在開裂、腐蝕、容易霉變的缺陷,原竹本身不能直接滿足現代建筑結構的主要構件的需要,因此,必須利用現代復合、重組技術對原竹進行加工改性,才能制作出能夠適應現代工程結構的竹質工程材料。竹質工程材料是以原竹為主要原材料,采用高性能的環保型膠粘劑,經過現代竹材加工技術制成的復合竹材['5']~['6']。目前,此類結構材料主要以竹簾膠合板、竹材層積材、竹材重組材等為代表,它們不僅保留了原竹的優良特性,同時消除了竹材的各向異性、材質不均和易干裂的缺點,還解決了原竹防潮、防腐、防霉、阻燃等突出問題,同時提高了竹材的利用率,成品規格靈活多樣,可適應工程的多種需要,便于實現工廠化生產,拓寬了竹材的應用領域。

            表1給出了3種性能較好的竹質工程材料及馬尾松的力學性能比較,在力學性能及其穩定性方面,竹材重組材最好,竹材層積材優于竹簾膠合板??傮w來說,幾種竹質工程材料的靜彎曲強度、順紋抗壓強度均高于馬尾松,彈性模量接近甚至超過馬尾松,各項性能均優于一般木材。根據各種竹質工程材料的特性,并結合各主要構件的受力特點,本竹結構抗震安居示范房采用竹簾膠合板制作樓屋面板及墻板構件、竹材層積材制作梁、竹材重組材制作柱(分別如圖1(a)~(c)所示)。
            表1幾種竹質工程材料與松木的力學性能比較

            順紋抗壓強度 MPa



            竹材重組材1.1017214300117.5
            竹材層積材0.9513011000
            竹簾膠合板0.85-0.9011010000
            馬尾松0.5979.41200036.9


             

                                           
            (a) 樓屋面板(竹簾膠合板)                                  (b) 梁(竹材層積材)                                      (c) 柱(竹材重組材)
            圖1 竹質工程材料構件

             

            4竹結構抗震安居示范房的設計
            4.1工程概況
            由于該住宅的使用對象為震災后廣大農村居民,本建筑設計為每戶獨立式住宅建筑(如圖2),由其建筑面積約180平方米,大于一般單元式住宅每一戶的建筑面積,而又小于目前我國一般獨立式別墅的建筑面積,不設車庫,滿足使用者居住生活的基本功能需要。底層入口設于正立面中間,傳承當地民居建筑文化;結合時代特色,將入口處雨棚擴展為柱廊。內部空間也結合傳統與現代生活特點,入口與右側空間合為一較大的家庭活動的室內空間,入口左側設一間臥室,廚房和餐廳面積較大,餐廳內用戶可根據需要設置儲藏空間。二層設三間臥室,有主有次,并于北面設置一個小的家庭活動室,也可根據家庭人口需要改為臥室。南面結合底層門廊設置室外平臺,滿足晾曬需要,并營造室內外空間的連通。根據建筑使用功能、室內空間比例、建筑經濟性的要求,取一層層高3.2m,二層層高2.8m,二層吊頂設于屋架下弦,底層凈高約3m,二層凈高基本等于層高為2.8m。

             


             

            4.2結構設計的主要抗震思想
             


             

            對于災區的新型抗震安居房而言,在地震(余震)活動較為頻繁的地區進行災后重建必須著重結構抗震能力,設計要符合國家“小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設防原則。根據抗震要求,結構平面布置注重規則對稱,以避免在水平地震力作用下結構發生扭轉;立面和豎向則力求規則,保證結構側向剛度均勻變化;同時考慮整體性,保證抗側力構件之間的可靠聯系?,F代木結構的主要結構形式有“梁柱結構體系”和“輕型木結構體系”兩種['7']~['8'],梁柱結構體系是一種傳統的建筑形式,其由跨度較大的梁柱結構形成主要的受力體系,承受主要荷載,輕型木結構是由構件斷面較小的規格材和面板均勻密布連接組成的一種空間箱形體系,它由主要結構構件(結構骨架)和次要結構構件(墻面板、樓面板和屋面板)共同作用、承受各種荷載,具有經濟、安全、結構布置靈活的特點。本結構充分發揮竹材輕質高強的特點,借鑒兩種結構體系的成功經驗,結構體系總體上采用梁-柱 + 擱柵-墻骨柱構成的多約束、多傳力路徑的受力體系,首層梁柱平面布置如圖3所示,框架柱與主梁組成多榀平行框架,抵抗地震作用下的水平側向力;除了框架柱以外,還在門窗開洞的兩端增設墻骨柱,并在墻內設置斜向支撐和水平橫撐來增加墻體的抗側剛度和側向承載力(如圖4),框架柱和墻體形成了多重抗側力體系,更增加了抗震能力;為了保證墻體具有足夠剛度,其骨架構件的規格尺寸需滿足變形要求,骨架與面板之間的連接應該牢固、可靠,以確保墻體的整體作用。
            為了加強結構的整體性,每層高度處均設置貫通的竹制圈梁,窗口上下均設置連系梁;
            樓面采用板(16mm厚)-擱柵-梁構成的受力體系,用螺釘連接節點,同時骨架與面板之間需牢固、可靠連接,以確保樓面板的整體作用;考慮抗震設防要求,地震區屋架采用四支點的竹質屋架,配合斜放簡支檁條掛瓦,屋架端部必須與竹柱可靠錨固,在水平懸挑部分用水平撐桿支撐到框架柱上;為了減輕結構的自重,屋面蓋瓦盡可能采用輕質瓦,如瀝青瓦、石棉瓦等,以減輕地震作用。
            4.3關鍵節點設計
            節點連接是木結構的最關鍵問題之一,構件的連接設計除了應該保證強度、傳遞荷載之外,還應防止構件產生開裂,并且從設計和構造節點上允許構件收縮和膨脹。木結構中常用的連接方式主要有榫卯連接、齒連接、齒板連接、普通釘接和螺栓連接等等['9']。榫卯連接是中西方傳統的木構件常用的連接方式,由于榫卯的存在,削弱了構件截面,因此不利于受力,且節點加工較復雜;齒連接是方木和原木結構中常用的連接方式,這種連接也會削弱構件的截面,不太適用于本結構;齒板連接廣泛地用于構件的接長和接厚,這種連接節點抗壓能力較低,且齒板容易銹蝕,由于竹質材料的硬度較大,板齒釘入構件困難,這種節點在本結構中很難應用;普通釘接承載能力相對較低,只能用于受力較小或基本不受力的連接,可用于本結構中樓面板、墻面板的連接固定;螺栓連接適用于一般的木結構,這種節點可以承受較大的內力,在現代木結構中廣泛應用,同樣較適合用于本結構的節點連接。

             


             

            借鑒輕型木結構所使用的構件螺栓連接,對本竹結構房屋主要構件節點使用的金屬連接件和螺栓進行了詳細的設計。(1)柱與基礎節點。竹柱的柱腳插入250mm高8mm厚矩形鋼筒內,采用4個M16的對拉螺栓在2個方向對竹柱與鋼筒之間進行固定,如圖5(a)所示,矩形鋼筒焊接于底部10mm厚鋼板,由4個M20錨栓錨固于基礎,保證地震作用下上部結構與基礎間不發生錯動;(2)墻骨柱與基礎的連接節點。每根墻骨柱通過2片對稱角鋼實現其與基礎的連接:竹墻骨柱與L形角鋼之間通過釘接固定,L形角鋼與基礎通過M12錨栓固定,如圖5(b)所示;(3)柱與梁的連接節點。如圖5(c)所示,在竹柱的四周通過螺栓固定了連接鋼板,在連接鋼板的外側焊接U形托,以實現對竹梁的支撐,梁端伸入U形托后,通過螺栓固定梁的位置;(4)主、次梁的連接節點。如圖5(d)所示,通過2個相互垂直焊接的U形鋼板連接件實現型主、次梁之間連接,U形鋼板與主梁和次梁各通過2根對拉螺栓固定。其它連接節點與以上節點類似,不一一給出,這些節點的設計,能滿足各類復雜節點的連接要求,傳力路徑明確;同時,預加工的金屬連接件保證了結構的安裝速度、安裝質量,有利于實現住宅的標準化、工業化;另外,此類節點對保證結構良好的抗震性能是有利的,螺栓連接使得結構具有一定的變形能力,金屬節點保證了“強節點,弱構件”的抗震理念。
             

            4.4其他設計
                基礎采用混凝土淺基礎,并根據實際地質情況沿軸線設置地圈梁加強結構整體性,調節不均勻沉降。外墻采用雙層竹簾膠合板墻板,中間添加保溫層,保溫材料是玻璃纖維、礦棉或棉氈,墻外側鋪設鋼絲網粉刷砂漿,既滿足建筑節能要求,又滿足建筑防盜要求,很大程度上提高了建筑的舒適性和安全性。內墻根據隔聲要求采用中空雙層竹簾膠合板墻板,中。間填。塞隔聲材料。
            雖然竹質工程材料已經可以通過生產工藝具備良好的耐火、防潮和耐腐蝕性能,但是在干濕循環作用下仍存在老化現象,各項力學性能指標都會發生少量削減,因此在結構方面必須考慮這一因素。首先,在結構設計計算中,各項力學性能指標都綜合現有竹質工程材料的老化試驗研究結果給予折減,充分考慮材料老化的影響;其次,考慮到二層的陽臺也為竹制,為減輕干濕循環造成的影響,除了設計中采取強度和剛度折減以外,在構造上將屋面出挑與陽臺外沿平,同時為挑出屋面部分做三角撐以支承屋面檁條;第三,將底層樓面架空高于地面600mm以上,底層樓面固定在混凝土底座上,南北兩主要立面上混凝土底梁下至室外地面間留空,保證空氣流通,防止潮氣郁塞
            防火方面,可根據現行《建筑設計防火規范》中的規定靈活應用,墻體、天棚可采用防火石膏板作為飾面。
            5結論
            本文系統地分析了竹結構建筑的優勢之處,與其它結構相比,竹結構在生態性、工業化、施工、節能、抗震性能和經濟性方面都具有顯著的優勢,許多方面都與木結構相似,尤其具有比木結構更好的生態性;在對目前3種性能較好的竹質工程材料制造工藝、特點進行對比分析的基礎上,選擇了不同的竹質工程材料制作了新型竹結構抗震安居示范房的主要構件,具體為竹簾膠合板制作樓屋面板及墻板、竹材層積材制作梁、竹材重組材制作柱,隨后重點介紹了竹結構抗震安居示范房設計的關鍵技術,主要包括結構設計的主要抗震思想、關鍵節點設計、竹質工程材料的防潮與結構的防火措施。目前,該工程已在南京林業大學的校園內開工建設,一層施工已基本完成,關鍵技術的解決對確保該工程的順利進展具有重要的作用。該新型竹結構抗震安居示范房的成功建設為汶川地震后村鎮住宅的重建提供了一個良好的選擇。

             

            致謝

            本文研究得到了南京林業大學蔣身學教授、楊平教授、黃東升教授、東南大學吳剛教授、歐曉星老師等的幫助和支持,在此表示深深地感謝!

            參考文獻

            ['1'] 葉明,錢城,郝赤彪.新型綠色建材─竹材人造板探討['J'].青島理工大學學報,2007,28(5):41-44.

            ['2'] 朱建新,盛素玲.淺談竹結構建筑的生態性['J'].建筑科學,2005,21(4):92-94.

            ['3'] 鄭凱,陳緒和.竹材人造板在預制房屋建造中的應用前景['J'].世界竹藤通訊,2006, 4(1):1-5.

            ['4'] 竹屋抗震性能令人吃驚—世界林業動態. ['J'].世界竹藤通訊,2004,2(4):10.

            ['5'] 孫正軍, 程強, 江澤慧.竹質工程材料的制造方法與性能['J'].復合材料學報,2008, 24(1):80-83.

            ['6'] 李琴,汪奎宏,華錫奇.重組竹生產工藝的初步研究['J'].人造板通訊,2001,7:6-9.

            ['7'] 孫紅亮.輕型木結構住宅的性能研究['J'].天津建設科技, 2007,3:33-36.

            ['8'] 程海江.現代木結構建筑在我國的應用模式及前景研究['D'].同濟大學碩士論文,2007.

            孫永良.輕型木結構齒板連接節點承載能力研究['D'].同濟大學碩士論文,2007.


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