不同损伤情景下层压竹桁架的实验与数值研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental and numerical study on laminated bamboo trusses under varied damage scenarios

　　•对层压竹桁架进行了全尺寸测试。•设计了不同的腹杆移除方案以模拟损伤情况。•提出了用于预测刚度和承载能力的理论公式。•在OpenSees中开发了用户可定义的钉接节点材料模型。•建立了用于桁架分析的简化和详细数值模型。

引言
竹子被广泛视为一种可持续的生物基材料，几个世纪以来一直被用于土木工程领域[1]、[2]。由于其快速生长和碳封存能力，竹子近年来作为低碳建筑材料的潜力越来越受到关注[3]、[4]。然而，天然竹子直接用于结构时，往往受其不规则的几何形状、力学性能的差异以及耐久性问题的限制。为了解决这些问题，人们通过工业加工技术开发出多种工程化竹产品，包括层压竹材（LBL）[5]和胶合层压竹材（glubam）[6]。LBL是通过将竹条（通常是毛竹）粘合成矩形层板制成的，所有竹条都平行于纵向轴排列，从而形成一种沿纹理方向具有相对均匀力学性能的单向工程化竹复合材料。而glubam则是通过将竹子切成薄条，经过处理、树脂浸渍和热压处理后制成具有双向或特定纤维取向比例（通常为1:1至4:1）的层压板，这种结构使得其平面内的力学性能更为均衡，但相对于单向的LBL来说，其纵向强度稍低。由于这种纤维结构的根本差异，LBL主要用于承受轴向载荷的构件，如梁和柱，而glubam则因其良好的可加工性、双向强度以及满意的力学性能，更常用于连接板、剪力墙以及其他平面结构构件。

先前的研究已经表明，这些工程化竹材料的力学性能可与传统木材及木基产品相媲美，甚至更优[7]、[8]、[9]、[10]。朱等人[11]、张等人[12]、李等人[13]、[14]以及陈等人[3]、[5]对用LBL制作的民用结构进行了实验研究，涵盖了梁的弯曲行为、柱的轴向及偏心压缩性能，以及包括钉接、螺栓接和螺纹接在内的各种连接系统的力学响应。也有大量实验研究致力于glubam结构体系，尤其关注其在连接板系统[7]、[15]、剪力墙[16]、[17]以及桁架结构[18]、[19]中的应用。得益于这些优异的力学性能，工程化竹材料越来越多地被应用于各类结构体系中，包括梁、柱、桁架系统和剪力墙。在这些应用中，竹桁架因其较高的强度重量比和材料效率而备受关注，成为长跨度屋面结构的理想解决方案。

桁架结构被广泛用于屋面和楼面结构中，它们具有较高的结构效率、轻质的特点，并且能够实现相对较长的跨度[20]、[21]。腹杆是重要的承重构件，它将上下弦连接起来，形成一个稳定的三角形结构，能够将弦的弯矩转化为轴向力，并有效地将剪力传递给支撑结构[22]。在钢桁架和工程化桁架结构中，腹杆的力学作用都有大量研究记载，因为它们的刚度及其位置会直接影响内力分布和整体结构响应[23]。在实际施工和使用过程中，为了增加可用空间、提高天花板高度或容纳各种机械设备，业主或承包商有时会在未经正式结构评估的情况下对桁架结构进行修改。这些修改通常涉及切割或移除腹杆，以便于安装建筑设备[24]，如图1所示。此类改动可能会破坏原有的荷载传递机制，从而影响桁架结构的性能。

关于构件损伤对桁架结构整体性能影响的研究主要集中在钢桁架桥上。Kim等人[25]对一种Hypar空间桁架进行了分析，发现移除腹杆会显著改变其几何构型，降低结构稳定性，这凸显了关键构件在维持空间桁架形状和承载能力方面的重要性。Reese[26]研究了一座出现损伤的Pratt桁架桥在关键构件被移除后的情况，发现关键构件的缺失会改变荷载重新分布和整体结构响应，而进一步的损伤还会影响荷载传递路径和失效顺序。Liu等人[27]研究了钢制贯通桁架桥中的替代荷载传递路径，发现虽然单个构件被移除后系统仍能保持一定的韧性，但这些移除仍会显著影响荷载重新分布，同时确定了某些关键腹杆，其缺失会局部削弱结构。无论是在竹桁架、钢桁架还是木桁架中，任何形式的构件移除都会导致应力分布发生变化，从而降低整个结构的承载能力[28]。总体而言，这些研究都强调了腹杆在维持桁架性能方面的重要作用。不过，与钢桁架结构相比，腹杆移除对木桁架和竹桁架性能的影响则鲜有研究。

在分析桁架结构性能时，通常采用数值建模方法。为了便于使用常用软件进行数值分析，桥梁和建筑物中的桁架通常用梁单元来建模，并采用铰接或刚性接头[18]、[29]。对于铰接桁架，接头处不会传递弯矩。而在刚性接头假设下，上下弦和腹杆在接头处被视为连续体，各单元之间的夹角也被认为保持不变。但实际上，木桁架或竹桁架中的连接件表现为半刚性行为，允许相连构件之间发生相对的平面内位移。为了解释这一现象，人们提出了包含半刚性接头的更精细的建模方法。现有的建模方法大致可分为几类，包括使用弹簧单元的模型、采用虚拟单元的模型、使用弹性模量较低的短虚拟梁的模型，以及基于专门描述接头行为的特殊单元的模型[30]。有一些研究将半刚性行为纳入有限元模型中，以便更准确地反映连接的灵活性，克服理想化的铰接或刚性接头假设所带来的局限性。Masse和Salinas[31]指出，在木桁架模型中考虑接头刚度后，其结果与实验数据的吻合度更高。Xiao等人[18]证实，半刚性接头模型能够更好地预测glubam桁架的承载能力和变形情况。Gupta等人[32]和Panagant等人[33]进一步证明，在木桁架模型中考虑半刚性接头行为可以减少变形，更准确地模拟内力和应力分布，从而更好地反映桁架结构的实际力学响应。尽管在钢桁架的构件移除效应以及木结构和钢结构中的半刚性接头建模方面已有大量研究[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]，但针对竹桁架的研究仍然相对较少。尤其是构件损伤对竹桁架结构性能的影响，以及半刚性有限元模型能否准确模拟其响应，目前还缺乏深入研究。

本研究的主要目的是探讨腹杆损伤对预制平行弦层压竹桁架结构性能的影响，同时评估半刚性有限元模型在模拟这类结构响应方面的适用性。通过全尺寸弯曲试验、理论分析和数值模拟，研究了不同损伤状态下的桁架的承载能力、刚度、变形行为以及失效机制。这些研究结果有助于了解竹桁架结构的损伤容忍度，为其工程设计和应用提供依据。

材料
每个桁架试件由三种主要材料组成：LBL构件、glubam连接板以及T形钉（见图2）。用于制作桁架构件的LBL的截面尺寸为40毫米×90毫米，是从广东省的一家竹制品厂采购的。该材料经过精确切割和加工，以获得所需的长度和形状。连接板则是由山东省当地一家厂家生产的厚度为10毫米的glubam制成的。

NGPC接头试验
参照GB/T 50329-2012标准中规定的齿形金属板连接的试验方法[42]，设计了NGPC-LBL接头试件并进行了试验，以评估其承载能力和变形行为。试件的尺寸是根据钉接连接的最小间距、边缘距离和端部距离要求确定的，同时还考虑了试验机和加载装置的因素。主要的试验参数是加载方向与……相关的参数。

NGPC接头的试验结果
图11展示了四种不同配置的NGPC-LBL接头所获得的荷载-位移曲线，以及它们的平均曲线。加载过程可分为初始线性弹性阶段、非线性弹塑性阶段，以及最终导致结构破坏的下降阶段。总体而言，这些接头都表现出延性特征，在破坏前会有较大的变形。如图12所示，这些接头主要是由于钉子从LBL中拔出而发生破坏的。

极限载荷和适用载荷
从实验得到的荷载-位移曲线中提取的性能参数总结在表4中。图18展示了所有桁架试件的适用载荷（Ps）和极限载荷（Pm），以及相应的Pm/Ps比值。除了T-PH试件之外，其余试件的该比值都在1.35 - 1.46之间，这说明这些不同配置的桁架具有较为一致的安全系数。T-PH试件的该比值明显较低。

接头的材料模型
由于桁架的破坏主要是由钉子拔出以及接头处的断裂引起的，因此可以在假设glubam构件未受损的前提下，根据NGPC接头试验的结果来评估接头的力学性能。为更好地模拟实验中荷载-位移曲线下降阶段所观察到的非线性软化行为，作者在参考文献[37]中提出了一种三阶分析模型。该模型将单调响应分为初始弹性阶段……

结论
采用钉接glubam板连接的层压竹桁架，无论腹杆配置如何，其破坏模式都较为一致。结构破坏主要是由弦与腹杆接头处的钉子拔出和断裂引起的，偶尔还会伴随glubam纤维的局部损伤。所有试件在破坏前都出现了显著的变形，这说明钉接glubam板连接体系为层压竹桁架结构提供了较好的延性。

所有参与者

作者贡献说明
郭晨：项目监督、项目管理、资金获取、概念构思。王昌：文章撰写——审阅与编辑、正式分析。张Enhao：验证、研究。赵林：验证、研究。朱文丽：验证、数据整理。陈凤城：验证、软件相关工作。

利益冲突
不存在利益冲突。

关于写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明
在撰写本文时，通讯作者使用了ChatGPT来提升手稿的可读性和语言表达水平。在使用该工具后，通讯作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对所发表文章的准确性和完整性负全责。

利益竞争声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52178220）的支持。

王昌|郭晨|赵林|张Enhao|朱文丽|陈凤城