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user: 6. 竹结构的发展与应用现状 竹材具有良好的工程适应性，原竹材可用于模板工程、脚手架工程等围护结构工程；优质竹材经胶合处理后可用于加固工程、组合结构，另外，全竹结构也早已经突破了传统的圆竹结构形式，在全竹框架结构、装配式竹结构、桥梁工程等领域都取得了积极进展。 6.1. 圆竹结构 传统的原竹结构是用竹杆作为结构的构件，辅以其他建筑材料，通过捆绑、穿斗式节点、螺栓连接、钢板连接和套筒连接等连接方式将这些构件连接起来 [ 11 ] [ 67 ]。目前，世界竹资源富集地区仍然保留有各类竹质传统民居。在亚洲，中国的“干阑式”竹建筑，台湾省的“竹厝”、印度的Ekra竹房；南美洲的哥伦比亚、委内瑞拉等国流行的Bahareque竹建筑；非洲的埃塞俄比亚等国Sidama竹屋等也是典型代表。这些传统原竹结构建筑大部分都采用圆竹作为梁柱结构，墙体以绑扎竹片作为骨架结构，泥土作为填充物，能够有效地遮蔽风雨 [ 68 ]。但是，由于原竹结构房屋的设计建造基本依赖经验，加上圆竹几何形状特点，原竹结构的节点的强度低、可靠性差。为了解决这个问题，我国学者巩富 [ 69 ] 提出采用钢板螺栓连接代替绑扎连接的大跨度竹三角框架圆竹结构。Villegas [ 70 ] 在节点位置的空心竹竿中加入一定配比的水泥砂浆，并用钢螺栓穿孔加以连接，该方法能够有效缓解传统原竹建筑节点强度低的问题。1989年Shoei Yoh [ 71 ] 采用钢管插入原竹，并用螺栓将两者连接，钢管承载力足以承受螺栓传来的力，两个螺栓所处位置相互垂直。此节点螺栓数量较多，适用于承受较大荷载。 尽管采用新的节点形式能够一定程度上提高原竹结构的承载力，但原竹结构过于简单的构造形式很难满足当前人们的使用空间和审美要求。 6.2. 竹组合结构构件及组合结构 竹组合构件及组合结构一般指原竹材料或胶合竹材与其它建筑材料组合发挥作用的组合构件及结构。常见的竹组合构件有竹筋混凝土组合梁柱构件、竹木组合构件、钢竹组合构件及组合空间网架结构等。原竹组合构件是利用竹材质轻且抗拉强度高的力学性能特点，在降低组合结构自重的前提下提高结构或构件的力学性能。 6.2.1. 竹–混凝土组合结构 竹筋混凝土最早出现在20世纪初，那时在很多钢产量还比较低的地区，人们发现，以竹筋代替钢筋用于混凝土构件中，既能够充分利用自然资源，又能达到节约钢材的目的 [ 67 ]。但是由于早期的竹筋并没有采取防水防腐处理，竹筋的干缩严重，竹材和混凝土的粘性也比较差，组合结构的强度和耐久性都不理想 [ 72 ]，直到胶合竹材的应用才有了比较大的改观。K. Ghavami [ 73 ] 研究发现，和素混凝土相比，竹筋增强混凝土梁的极限承载力提高了400%，经过negrolin-sand-wire胶合优化处理后，竹纤维和混凝土的粘结能力提高了90%，并预测，随着对材料的研究深入，未来以竹筋替代钢筋是完全可以期待的 [ 74 ]。Masakazu Teral [ 75 ] 通过对预应力竹筋混凝土梁的受弯破坏与素混凝土和预应力钢筋混凝土受弯破坏进行对比，得出预应力竹筋混凝土梁的抗弯承载力数倍于素混凝土梁的抗弯承载力，在计算方法上可以近似采用预应力钢筋混凝土。陈瑞麟 [ 76 ] 通过对比试验发现，虽然竹纤维混凝土的强度比钢纤维混凝土强度略有降低，但仍然能满足工程使用需要。 6.2.2. 竹木组合构件 竹木组合梁构件一般将竹材布置在受拉侧以提高组合梁的抗弯承载力。Andy W. C. Lee [ 77 ] 在1997年对竹增强南方松OSB梁的抗弯性能的试验表明，竹筋增强后的组合梁抗弯刚度有了明显提高。冷予冰 [ 78 ] 等通过试验研究表明，在受拉区以胶合竹代替工程木能够大幅提高组合梁的承载力。高黎 [ 79 ] 等在对不同结构形式的预制竹木组合墙体的保温与隔声性能研究发现，竹木组合墙体的保温和隔声性能较差，还需要通过新的结构形式和构造措施加以改善。 6.2.3. 钢竹组合结构 国内外学者对不同形式钢竹组合构件的抗弯性能 [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]、钢竹组合墙体和组合框架结构的抗震性能 [ 83 ] [ 84 ]、钢竹组合网架结构的力学性能 [ 85 ] 进行的研究表明，竹材和钢材有较好的组合效应，钢竹组合结构的整体性较好；由于竹材具有较高的强重比，因此，在组合结构自重降低的情况下强度并没有明显降低；组合结构节点的可靠性、组合结构墙体钢板厚度决定了结构的抗震性能。谢桥军 [ 86 ] 等对2榀跨度均为20 m的胶合竹结构大跨度全竹屋架和“人”字形钢–竹屋架进行静力加载试验。试验结果表明，胶合竹屋架的破坏属于脆性破坏，而采用高强钢棒作为下弦拉杆的钢–竹屋架体系各项性能优于传统桁架形式的竹屋架体系。 6.2.4. 竹材在加筋土工程中的应用 在加筋土工程中，和其它昂贵的合成材料相比，竹筋经防腐防虫处理后应用于加筋土工程中具有非常明显的成本优势。党发宁 [ 87 ] 等在探讨竹筋格栅在路堤工程中应用的可能性的研究表明，竹筋栅格在完全失效前，土体固结作用已经可以将路堤的安全系数提高到满足规范要求。吕韬 [ 88 ] 等在高填方土质边坡中竹筋的应用研究中，肯定了竹筋在高填方土质边坡中的作用及竹材的使用对于改善生态环境的意义。 6.3. 现代全竹结构 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将竹材构件拼接安装而成的一种新型结构体系 [ 89 ]。现代竹结构使用的工程竹构件的截面尺寸和形状具有多样性，且全部可以通过工厂化生产，产品质量更加稳定可靠。 但目前国内外尚无结构用胶合竹技术规程和竹结构设计规范。胶合竹材用于建筑结构的研究依然处于起步阶段，还缺乏系统的竹结构力学性能试验以及相应的分析理论和设计方法。虽然有木结构设计规范作为参考，但是材料性质差异决定了胶合竹结构设计要从最基本的容许应力设计方法开始 [ 1 ]。在此背景下，国内外学者对不同形式竹结构建筑的设计建造、综合性能进行了初步探索。 6.3.1. 竹结构住宅 1) 轻型框架竹结构 轻型框架竹结构房屋类似轻型木结构房屋，是未来我国以竹代木的一个发展方向。早在2004年，我国云南的一所小学校舍就采用了竹材人造板。2009年，湖南大学建成首座现代竹结构双层别墅。2011年陈国 [ 90 ] 对Glubam竹结构房屋抗震性能进行的振动台试验表明，Glubam竹结构房屋抗震性能优异，加速度达到0.5 g时，结构的整体性依然完好。杨云芳 [ 91 ] 等探讨了竹集成材结构房屋的结构形式、构造方法及技术难点，肯定了竹集成材结构建筑的综合经济优势。肖岩 [ 89 ] [ 92 ] [ 93 ] 课题组针对轻型框架竹结构的构造处理和建造方法等关键技术、抗震设计方法、抗火性能以及生命周期的能耗和碳排放展开了系统的研究，竹结构内外墙系统可以有效减轻建筑物的自重，从而减少由建筑物自重所产生的地震作用；在防火石膏板的保护下，此类竹结构房屋的耐火时间可以达到1.0 h；采用全生命周期法量化分析法将此类竹结构建筑和其它几种建筑结构进行对比表明，竹结构房屋是最适合人居的绿色住宅。黄东梅 [ 94 ] 等采用同样的生命周期评价方法对竹结构住宅整体环境性能进行评估发现，竹结构住宅的主要环境负荷来自传统建筑材料。 2) 装配式竹结构 装配式竹结构是具有质量轻、成本低廉、构造简单、抗震性能优异、装配方便等优点的新型模块化装配式房屋体系。目前，胶合竹结构构件已经进入工厂化生产阶段，国内对装配式竹结构的研究已经取得一些进展。单波 [ 95 ] 等设计了几种预制圆竹构件，经过极限承载力试验后，建造了一座预制装配式圆竹建筑，验证了装配式圆竹建筑技术可行性和实用性。2008年肖岩 [ 96 ] 等基于Glubam开发出快速装配式现代竹结构抗震活动板房并用于汶川地震灾后重建工作。2009年佘立永 [ 97 ] 给出Glubam装配式竹结构房屋的设计和建造方法，抗震试验表明，装配式竹结构具有良好的整体性，抗震性能优异。同年，魏洋 [ 98 ] 等参照木结构“梁柱结构体系”设计建造了两层装配式抗震安居房。陈国 [ 99 ] 等结合湖南衡阳蔡伦竹海胶合竹结构住宅工程，对其关键技术及施工措施进行了深入探讨，提出装配式竹结构的防潮措施。装配式竹结构活动板房与轻钢结构活动板房抗火试验对比表明，竹材的导热系数更小，装配式竹结构的梁、柱、墙体以及屋面具有更好的抗火能力和更长的耐火极限 [ 100 ]。 6.3.2. 竹结构桥梁 木结构桥梁在北美有着非常广泛的运用，据美国联邦公路局2002年公布的数据显示，美国现役木结构桥梁达到32，400座，还有大量木结构桥梁在建。虽然木结构桥梁建造技术相对成熟，但由于我国木材资源短缺，没有大规模建设木结构桥梁的现实基础，但可以利用我国竹材资源丰富，发展竹结构桥梁。目前国内已经有学者将目光转向以竹代木，在国内发展竹结构桥梁。 2006年肖岩 [ 101 ] 等采用短薄胶合竹板拼接、整体冷压胶合成型的大尺寸竹梁，通过预制装配方式建造了一座现代竹结构人行天桥。2008年湖南大学现代竹木及组合结构研究所采用指接胶合竹板关键技术，解决了竹结构桥梁在跨度和承载力方面的难题后，在湖南省耒阳市设计建造了世界首座可行车竹结构桥梁 [ 102 ]。该桥主跨达到10 m，设计最大通行质量为8吨，目前该桥已安全使用近十年并且状态良好。