综述：竹复合材料和木材复合材料柱的结构性能综述

《COMPOSITE STRUCTURES》：Review on structural behaviour of bamboo composite, and timber composite columns

　　

竹复合材料和木材复合材料柱作为传统钢和混凝土受压构件的低碳替代品已引起越来越多的关注，然而其结构性能在多样化的材料体系、增强策略和设计假设中仍然呈现碎片化。本文对过去二十年中报道的竹基和木材基复合材料柱的轴向压缩性能进行了批判性综述。通过采用PRISMA风格的流程图，对研究进行了审查，以阐明组成材料、截面布置、约束机制、长细比和界面条件如何影响承载力和破坏响应。综述表明，性能提升主要由复合材料相互作用的有效性控制，而非生物基基体的单独强度。增强参与在两种生物基基体之间不可互换：工程竹产品在轴向荷载下产生可测量的膨胀，并调动钢和FRP外壳中的环向约束，而实木在缺陷控制的劈裂/压碎之前不会调动可比的均匀膨胀，因此包裹主要抑制裂缝扩展，而非提供类似混凝土的侧限约束。这种膨胀驱动的区别，连同界面质量，决定了所有综述系统中的承载力提升幅度和主导破坏序列。本文确定了知识空白，并概述了竹复合材料和木材复合材料柱基于力学设计模型的研究需求。

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   引言
   木材是承重结构中最古老的使用的材料之一，竹在亚洲作为结构材料也有数世纪的历史。两者作为钢和钢筋混凝土的低碳替代品在现代建筑中重新受到关注。在柱中，轴向承载能力由本征材料特性和构件长细比控制。锯木因节子、纹理偏差和密度变化等自然特征表现出相当大的非均质性，这会降低抗压阻力并导致实验数据分散。工程木材产品如胶合层压木材（GLT）、交叉层压木材（CLT）和单板层积材（LVL）被开发用于将此类缺陷分散在粘结单板中，在同心加载下产生更可靠的性能。竹基复合材料也经历了类似的演变，天然竹秆的空心几何、节间不规则性和纵向劈裂倾向推动了工程竹产品如竹束单板、层压竹材（LBL）、胶合竹（glubam）的发展。这些产品的轴向抗压强度与常规软木相当甚至更高，同时保留了竹纤维优异的比强度。由这些产品制成的短柱和中等长度柱通常表现出渐进压碎和相当大的峰后延性，与原始竹秆试件的脆性劈裂形成对比。尽管有这些进展，仅由木材或工程竹制成的柱仍受限于相对于钢和混凝土较低的抗压强度和刚度，以及在较高长细比下的脆性或由屈曲控制的破坏响应。为了扩展到更大的结构应用，近期研究考察了混合配置，其中生物基芯与钢截面、混凝土、纤维增强聚合物（FRP）包裹或多个材料组合。现有综述分别处理了两种基体，并按材料类别或增强技术组织证据。因此，两个开放问题仍然存在：第一，一种生物基基体上证明的增强策略是否能转移到另一种；第二，为什么名义上相似的约束方案在工程竹和实木构件之间产生明显不同的承载力增益。本综述通过汇编和批判性评估竹和木材柱轴向压缩行为的实验、数值和分析研究来解决这两个问题，重点关注不同截面、长细比和增强策略下的性能指标、破坏模式和设计意义。具体贡献包括：(i) 各种竹基和木材基复合材料柱类型的统一分类；(ii) 识别约束激活机制而非材料类别作为区分竹与木材复合材料柱行为的变量；(iii) 跨基体的承载力、刚度、延性和破坏序列的综合对比；(iv) 全球不同地区设计规定的综合评估；(v) 先前研究中关键空白和未来研究方向的识别。
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   综述方法
   本节概述了识别、筛选和选择竹和木材基复合材料柱研究的系统程序，遵循PRISMA的四阶段框架：识别、筛选、合格性和纳入。检索于2026年5月18日最后刷新，涵盖2007年以来的出版物。关键词分为四个逻辑块：基体、工程产品、增强/复合材料系统和加载/行为，通过布尔运算符组合。纳入标准包括：研究的构件为柱（轴向受压构件）；主要基体为竹或木材（原始或工程形式）；柱包含至少一种增强、约束或荷载分担组件（钢、混凝土、FRP、木材）；文章至少报告了截面、组成材料特性、加载阶段和轴向压缩性能的定量度量。排除标准包括：非柱构件、纯竹或纯木柱（对照试件除外）、非轴向加载、综述或缺乏原始数据等。最终保留125项独特研究，其中42篇聚焦竹基，83篇聚焦木材基复合材料柱。
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   材料描述
   本节提供调查中常见材料的技术背景。主要结构基体是竹和木材，以及作为增强、约束、填充或荷载分担元素的钢、混凝土和FRP产品。钢是最广泛使用的金属增强，等级涵盖中高强度，采用冷弯型钢（CFS）薄壁管材截面。混凝土作为填充/核心、结构基体或中间层，普通强度混凝土（C20至C50）最常见，也有高强度混凝土（C60至C80）、轻质混凝土（LC45至LC60）和超高性能混凝土（UHPC，≥120 MPa）。木材物种涵盖软木和硬木，四种主导工程产品：锯木、CLT、GLT和LVL。竹基产品包括LBL、竹束单板、glubam、竹胶合板和交叉层压竹（CLB），竹束单板密度1100至1200 kg/m³，平行抗压强度83.3 MPa。FRP分为合成纤维（CFRP、GFRP、AFRP）、矿物纤维（BFRP）和天然纤维（亚麻、大麻），CFRP因高比强度最常被选作增强。
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   复合材料柱系统分类
   本节将所有综述研究组织成层次化分类，基于两个力学标准：承载生物基体的身份（实木或工程竹，其横向应变响应不同，影响周围元素是否能产生环向约束）；次要组分的结构角色（约束外壳、内埋核心或骨架、外部包裹或包裹层、平行生物基薄层）。识别出9个广泛系统系列并细分为不同配置。竹基分为钢-竹、混凝土-竹、FRP-竹、竹增强木材和混合竹复合材料柱；木材基分为钢-木材、混凝土-木材、FRP-木材、竹增强木材和混合木材复合材料柱。多组分系统归入相关基体的混合类。
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   竹复合材料柱系统
   本节批判性解释竹基复合材料柱系统及其特征。钢-竹复合材料柱组合工程竹产品与钢截面，配置包括填充钢管系统（矩形层压竹填充钢管RBST、圆竹束单板填充钢管BSFST等）、空心胶合板-钢复合材料柱（内薄壁方钢管作为尺寸骨架，竹胶合板为主要承载体，有或无绑杆SBCC、SBCCB）、冷弯薄壁钢与竹束单板板复合材料（CFTW-CSBS、CFTW-STBS）、部分填充H型钢与竹束单板柱（PEBS）、以及竹填充铝合金管。压缩行为方面，填充钢管系统的承载力、刚度和延性随钢管壁厚共同提高，弹性阶段钢和竹平行分担荷载，屈服后钢产生环向约束；空心胶合板柱中竹胶合板贡献主要承载力，绑杆通过约束驱动脱粘抑制提高极限压应力；冷弯薄壁钢与竹束单板中，组合作用超出简单叠加，竹板延迟钢屈曲；PEBS柱中H型钢提供侧向约束，竹芯延迟钢局部屈曲，承载力显著提高；铝合金管与竹束单板因弹性模量更匹配改善屈服后协同。破坏模式取决于几何布置和长细比，填充钢管中发生钢管局部鼓曲、环向开裂或整体弯曲失稳；空心胶合板柱中界面脱粘主导，绑杆将其转为竹胶合板压碎；冷弯薄壁钢中发生胶层失效或钢局部屈曲。
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   木材复合材料柱系统
   （根据文档内容，第6节在截断处仅出现标题，未提供详细正文，故不杜撰具体描述。）

综上，本论文通过系统综述揭示了竹和木材复合材料柱的结构性能，强调了约束机制激活和界面质量的关键作用，为未来基于力学的设计模型提供了基础。