《大跨竹桁架桥的受力分析及设计》文献综述
- 前言
我国采用木材作为房屋宫殿等工程承重材料的历史悠久长远，最早可追朔到3500年前形成的以榫卯连接的框架结构体系。许多优秀的木结构建筑如故宫的宫殿和南禅寺等已历经百年乃至千年的岁月变迁[1]。随着可用于结构材的原木数量的急剧减少和新式建筑材料的出现。木结构建筑的发展逐渐没落。改革开放和加入WTO后，国外的木结构住宅相继进入中国市场，新型的结构受力体系和新型工程木材料推动了中国木结构建筑市场的发展，随着国内木结构建筑相关规范的相继出台，木结构建筑的发展开始迎来复苏。但是由于中国木材数量较少以及相关政策限制，中国本土可作为规范中结构用木材或进行商业贸易的木材树种稀缺，且不允许进行大规模商业砍伐。因此中国木结构建筑的用材以进口为主，这就导致了木结构建筑成本较高。一条经济合理、高效规范、创新可持续的的木结构建筑发展模式还在探索之中。竹材，作为与木材具有相似力学性能、材料特性和绿色环保可再生的一种有机材料，成为了替代和辅助木材和木结构，实现有机建筑、绿色建筑理念的首选材料。中国是产竹大国，竹林种植面积居世界首位，约占世界总量的30％，尤其是西南地区的竹材资源十分丰富，且竹材较木材生长周期短，仅3至4年即可成材利用[2]。现代竹材是以天然竹材为原材料，利用成熟的复合、重组、胶黏技术，将原本的木材加工成为具有不同尺寸规格的建筑用材，成为具有相当可靠度和统一规范化力学指标的标准化构件。竹材力学性能稍逊于钢材，但优于其他传统建筑材料。竹材密度较低，仅为混凝土的1/4，砖墙砌体的1/3[2]。是典型的轻质高强材料，导热系数低，保温性能好，尺寸稳定性好。竹材作为有机材料，其受力各向异性和正交异向性明显，受力特征较为复杂，目前对于竹材的研究和工程竹产品的开发有待进一步深入，本构模型有待健全。
本文以推广宣传工程竹结构为宗旨，通过设计一座跨度为30米的人行竹桁架桥梁，向人们展现竹结构桥梁轻质高强、安全可靠、舒适环保、优美坚实的形象，给今后竹结构工程在选材、处理、力学计算和稳定分析、舒适度优化方面提供一定的借鉴和参考
- 大跨竹桁架桥定义
随着现代竹材的深入研究和加工技术的不断发展、性能的优化提升，竹结构建筑有了在大跨空间结构领域有了长足发展的能力。作为现代公共建筑中的极为重要和普遍的建筑形式，大跨建筑已经在木结构建筑中的使用得到了显著的发展。可以预见，其在竹结构建筑的推广中也会得同样的重用。本文所提及的大跨竹桁架桥中的大跨之概念，国内外相关定义有所差异。《中国大百科全书bull;建筑园林城市规划》将大跨建筑定义为：横向跨越30m以上空间的各类结构形式的建筑；《中国土木建筑百科大辞典》将其定义为：屋盖结构跨度在80m以上的建筑；英国学者MacDonald则将其定义为：当建筑跨度成为影响建筑结果的首要因素并足以影响到建筑的美学处理时，即为大跨度建筑。竹结构建筑作为一种特殊的建筑形式，虽然在绝对跨度上可能达不到如此大距离的要求，但就其本身的材料性能而言，同样具有研究和分析价值，故本文对大跨度木结构建筑概念的界定，侧重于MacDonald提出的概念，既强调了大跨度建筑中结构作为首要制约因素的地位，同时参考建筑功能与规模的因素。
一般桁架结构中的桁架多指桁架梁，是一种格构式的梁式结构，通过腹杆与翼缘之间的钢连接件铰接形成二力杆进而形成一个有效受力整体。具有良好的承受弯矩、剪力和轴力的能力。桁架梁与实腹梁相比，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。桁架的形式有许多种：三角桁架、平行弦桁架、梯形桁架和拱形桁架。
本文所设计的竹桁架桥采用优质工程竹材料作为桥身上部结构主要承重构件，组成桁架受力体系。连接部分采用钢制连接件，基础采用混凝土实体基础。并进行一定的防腐防火抗震减震处理和人致振动优化。
- 工程竹材研究现状
经过竹材性能研究和加工处理技术的不断发展，各类竹材人造板和结构用胶合竹材产品不断推陈出新，性能不断优化提升。目前有下列成板技术较为成熟稳定，产品各类性能数据齐全，力学性能有可靠实验数据基础的工程竹材产品。
湖南大学的肖岩、单波等教授研制出来的格鲁班（Glubam）胶合竹[3]。格鲁班胶合竹材是一种具有特定的纤维排列方式，经过特殊工艺加工的竹纤维和酚醛胶的复合材料，类似于胶合木构件。格鲁班胶合竹材中纤维排列和配比形式多样，可以根据具体工程中的结构要求进行相应设计。格鲁班胶合竹板材分为主纤维方向和次纤维方向，主纤维方向多为平行于板材长边方向。次纤维方向为平行于板材宽边方向，两个方向相互垂直。目前，格鲁班研究作者在研究和示范工程中采用较多的配比量有1：1、2：1、4：1等。格鲁班胶合竹材原材料为毛竹，经过劈条、剖蔑、成席、干燥、施胶、组坯、热压等加工工序制成。成板规格为1220times;2440（mm），板厚30mm。肖岩、单波团队还对材料进行了一系列力学性能测试，采用现行GB 50005-2003《木结构设计规范》中规定的小清材测试方法。测试结果中其受拉性能取决于受拉方向与其纤维排列方向夹角，夹角为0时，其受拉性能最好，90度时受拉性能较差，与次方向纤维配比有关。受压性能测试中，冷面胶合的存在对抗压强度存在一定的削弱程度，高宽比小的构件抗压强度大于高宽比大的构件。受压破坏的形式也存在多种，有端部压碎、中间开裂、中间层屈和斜向压碎等。这些实验数据和破坏形式对于在实际工程中加强和防护构件破坏有着重要的指导作用。受弯破坏实验中，由于格鲁班竹材是由竹篾层层积复合组成，因此多产生层间开裂破坏的现象。一系列的实验得到了格鲁班胶合竹材主纤维方向的各种力学性能指标、各种构件类型的折减系数和容许设计应力。给竹结构设计和推广提供了宝贵的科研数据财富。
竹集成材是一种以毛竹为原料，以规格为（50~100）times;20times;（5~6）mm的矩形竹片为基本组成单元的工程竹材料[4]。在我国主要用于生产竹地板。在生产过程中首先要将原竹中的竹青和竹黄层刨切掉，再经过蒸煮、干燥、碳化、精刨、涂胶陈化、层间胶拼、刨光、整体胶合、锯边、砂光等处理工序制成。材料密度低，约为0.66g·cm-3。由于经过粗刨精刨处理工序，材料利用率较低，仅为37~44％，浪费情况严重。集成材整体力学性能较低，因此不可用于结构中起到承重作用，仅作为地板、装饰板等非受力构件。
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