新型抗震竹质工程材料安居示范房及关键技术
吕清芳1 魏洋2 张齐生2，禹永哲3 吕志涛1
（1东南大学土木工程学院，南京210096）
（2南京林业大学，南京210037；3南京固强建筑技术有限公司，南京210001）
摘要：汶川大地震的惨剧使得广大的研究人员对结构的抗震性能给予了更大的关注。以竹质工程材料为基础的竹结构在生态性、工业化、施工、节能、抗震性能和经济性方面都具有良好的优势，本文重点介绍了新型竹结构抗震安居示范房的关键技术，主要包括竹质工程材料的选择、结构设计的主要抗震思想、关键节点设计、竹质工程材料的防潮与结构的防火措施。该工程的成功建设为汶川地震后村镇住宅的重建提供了一个可供选择的良好方案。
关键词：竹质工程材料；竹结构；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引言
2008年5月12日，在四川汶川县发生8.0级地震，地震造成了大量人员伤亡和财产损失。地震灾害情况统计表明，结构的抗震性能主要决定于结构的体系类别，其中，砖混结构在各种结构体系中的抗震性能表现最差，而砖混结构是震区中最普遍的结构形式，村镇的住宅、教学楼大多采用这种结构，此类结构在地震中普遍发生整体倒塌、墙体剪切、预制板坠落等严重破坏形式；然而，在地震中，木结构表现出了良好的抗震性能，木结构出色的抗震性能也得到了国内外历次地震的证实，但是，由于我国森林资源匮乏，20世纪80年代以来，国家有关部门为保护我国森林资源，一直提倡节约木材，特别是在建筑领域，木结构发展受到较大的制约。相比较，我国竹材资源丰富，竹结构建筑具有与木结构相似的突出优势，而过去由于竹材本身材料发展的局限，竹结构建筑一直处于起步阶段，随着竹帘胶合板、竹材层积材、竹材重组材等多种竹质工程材料的成功开发，制作力学性能均匀稳定的各种尺寸的结构构件已成为可能。因此，在汶川灾后重建工作中，要长治久安地解决近千万人的居住和生活问题，设计和建造竹质工程材料的新型抗震安居房是一种可供选择的良好方案。
2竹结构建筑的优点
竹材是我国重要的自然资源之一，我国的竹结构建筑可谓源远流长。作为一种廉价、易得的建筑材料，在我国南方的农村地区竹材房屋一直非常普遍，利用现代复合、重组技术，竹材可以制成建筑结构的主要承重构件及装修材料，包括板、梁、柱及墙体和门窗、天花板等。除了竹材轻质高强、韧性好、耐磨等优点，竹结构建筑具有许多其它结构类型所不具备的独特优势['1']~['3']：
（1）材料的生态性 竹材生长快，成材早，属于短周期的可再生森林资源，一次造林可以持续利用，与木材相比，竹材在种植、生长、管护等方面具有更大的优势；竹材的采集、加工、制造以及竹建筑的建造过程、废弃处理对环境的污染破坏小，而传统的混凝土、钢筋的生产过程本身就会造成污染，另外，竹结构建筑具有比较容易的可拆除重建性；竹材的利用开发，有利于环境质量提高和生态平衡，对环境保护和经济的可持续性发展具有显著的意义.
（2）工业化程度高、施工速度快 竹结构建筑的施工类似于轻钢结构，主要构件及节点在工厂预先加工，构件容易实现标准化，通过现场关键节点的装配连接即可迅速完成建造过程，安装速度快，需求工人数量少，1栋200m2的两层住宅仅需要5~6人40天左右即可完成。
（3）保温节能性 竹材人造板导热系数约为0.14～0.18W/(m.K)，低于粘土砖、混凝土，能够保证竹结构建筑具有较高的节能效益；另外，竹材人造板生产和使用过程能耗较低。
（4）优良的抗震性能 竹材具有较高的强重比，因而竹结构一般比其它类型的结构重量轻，尤其是较轻的竹结构楼面、屋顶，使得竹结构建筑在地震中的遭受的地震作用荷载较小；竹结构通常采用金属节点锚栓连接，在地震侧向荷载作用下，具有较好的变形能力，结构体系具有很好的柔性，能够吸收和耗散地震中的大量能量。竹屋优良的抗震性能也得到了相关试验的证实，英国木材研究和发展协会与位于印度中部的中央电力研究所于2004年2月完成了一项竹结构房屋抵御高强度地震的试验，用作试验的竹屋能够抵御印度曾遭遇过的里氏7级地震和日本兵库发生的里氏7.8级地震而安然无恙，竹屋表现出了抵抗强地震的能力['4']。
3竹质工程材料及其基本性能
原竹是小直径的空心圆柱体，由于中空、壁薄、尖削度大，并且存在开裂、腐蚀、容易霉变的缺陷，原竹本身不能直接满足现代建筑结构的主要构件的需要，因此，必须利用现代复合、重组技术对原竹进行加工改性，才能制作出能够适应现代工程结构的竹质工程材料。竹质工程材料是以原竹为主要原材料，采用高性能的环保型胶粘剂，经过现代竹材加工技术制成的复合竹材['5']~['6']。目前，此类结构材料主要以竹帘胶合板、竹材层积材、竹材重组材等为代表，它们不仅保留了原竹的优良特性，同时消除了竹材的各向异性、材质不均和易干裂的缺点，还解决了原竹防潮、防腐、防霉、阻燃等突出问题，同时提高了竹材的利用率，成品规格灵活多样，可适应工程的多种需要，便于实现工厂化生产，拓宽了竹材的应用领域。
表1给出了3种性能较好的竹质工程材料及马尾松的力学性能比较，在力学性能及其稳定性方面，竹材重组材最好，竹材层积材优于竹帘胶合板。总体来说，几种竹质工程材料的静弯曲强度、顺纹抗压强度均高于马尾松，弹性模量接近甚至超过马尾松，各项性能均优于一般木材。根据各种竹质工程材料的特性，并结合各主要构件的受力特点，本竹结构抗震安居示范房采用竹帘胶合板制作楼屋面板及墙板构件、竹材层积材制作梁、竹材重组材制作柱（分别如图1(a)～(c)所示）。
表1几种竹质工程材料与松木的力学性能比较
| 顺纹抗压强度 MPa | ||||
| 竹材重组材 | 1.10 | 172 | 14300 | 117.5 |
| 竹材层积材 | 0.95 | 130 | 11000 | |
| 竹帘胶合板 | 0.85-0.90 | 110 | 10000 | |
| 马尾松 | 0.59 | 79.4 | 12000 | 36.9 |
(a) 楼屋面板(竹帘胶合板) (b) 梁(竹材层积材) (c) 柱(竹材重组材)
图1 竹质工程材料构件
4竹结构抗震安居示范房的设计
4.1工程概况
由于该住宅的使用对象为震灾后广大农村居民，本建筑设计为每户独立式住宅建筑（如图2），由其建筑面积约180平方米，大于一般单元式住宅每一户的建筑面积，而又小于目前我国一般独立式别墅的建筑面积，不设车库，满足使用者居住生活的基本功能需要。底层入口设于正立面中间，传承当地民居建筑文化；结合时代特色，将入口处雨棚扩展为柱廊。内部空间也结合传统与现代生活特点，入口与右侧空间合为一较大的家庭活动的室内空间，入口左侧设一间卧室，厨房和餐厅面积较大，餐厅内用户可根据需要设置储藏空间。二层设三间卧室，有主有次，并于北面设置一个小的家庭活动室，也可根据家庭人口需要改为卧室。南面结合底层门廊设置室外平台，满足晾晒需要，并营造室内外空间的连通。根据建筑使用功能、室内空间比例、建筑经济性的要求，取一层层高3.2m，二层层高2.8m，二层吊顶设于屋架下弦，底层净高约3m，二层净高基本等于层高为2.8m。
4.2结构设计的主要抗震思想
对于灾区的新型抗震安居房而言，在地震（余震）活动较为频繁的地区进行灾后重建必须着重结构抗震能力，设计要符合国家“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防原则。根据抗震要求，结构平面布置注重规则对称，以避免在水平地震力作用下结构发生扭转；立面和竖向则力求规则，保证结构侧向刚度均匀变化；同时考虑整体性，保证抗侧力构件之间的可靠联系。现代木结构的主要结构形式有“梁柱结构体系”和“轻型木结构体系”两种['7']~['8']，梁柱结构体系是一种传统的建筑形式，其由跨度较大的梁柱结构形成主要的受力体系，承受主要荷载，轻型木结构是由构件断面较小的规格材和面板均匀密布连接组成的一种空间箱形体系，它由主要结构构件（结构骨架）和次要结构构件（墙面板、楼面板和屋面板）共同作用、承受各种荷载，具有经济、安全、结构布置灵活的特点。本结构充分发挥竹材轻质高强的特点，借鉴两种结构体系的成功经验，结构体系总体上采用梁-柱 + 搁栅-墙骨柱构成的多约束、多传力路径的受力体系，首层梁柱平面布置如图3所示，框架柱与主梁组成多榀平行框架，抵抗地震作用下的水平侧向力；除了框架柱以外，还在门窗开洞的两端增设墙骨柱，并在墙内设置斜向支撑和水平横撑来增加墙体的抗侧刚度和侧向承载力（如图4），框架柱和墙体形成了多重抗侧力体系，更增加了抗震能力；为了保证墙体具有足够刚度，其骨架构件的规格尺寸需满足变形要求，骨架与面板之间的连接应该牢固、可靠，以确保墙体的整体作用。
为了加强结构的整体性，每层高度处均设置贯通的竹制圈梁，窗口上下均设置连系梁；
楼面采用板（16mm厚）-搁栅-梁构成的受力体系，用螺钉连接节点，同时骨架与面板之间需牢固、可靠连接，以确保楼面板的整体作用；考虑抗震设防要求，地震区屋架采用四支点的竹质屋架，配合斜放简支檩条挂瓦，屋架端部必须与竹柱可靠锚固，在水平悬挑部分用水平撑杆支撑到框架柱上；为了减轻结构的自重，屋面盖瓦尽可能采用轻质瓦，如沥青瓦、石棉瓦等，以减轻地震作用。
4.3关键节点设计
节点连接是木结构的最关键问题之一，构件的连接设计除了应该保证强度、传递荷载之外，还应防止构件产生开裂，并且从设计和构造节点上允许构件收缩和膨胀。木结构中常用的连接方式主要有榫卯连接、齿连接、齿板连接、普通钉接和螺栓连接等等['9']。榫卯连接是中西方传统的木构件常用的连接方式，由于榫卯的存在，削弱了构件截面，因此不利于受力，且节点加工较复杂；齿连接是方木和原木结构中常用的连接方式，这种连接也会削弱构件的截面，不太适用于本结构；齿板连接广泛地用于构件的接长和接厚，这种连接节点抗压能力较低，且齿板容易锈蚀，由于竹质材料的硬度较大，板齿钉入构件困难，这种节点在本结构中很难应用；普通钉接承载能力相对较低，只能用于受力较小或基本不受力的连接，可用于本结构中楼面板、墙面板的连接固定；螺栓连接适用于一般的木结构，这种节点可以承受较大的内力，在现代木结构中广泛应用，同样较适合用于本结构的节点连接。
借鉴轻型木结构所使用的构件螺栓连接，对本竹结构房屋主要构件节点使用的金属连接件和螺栓进行了详细的设计。（1）柱与基础节点。竹柱的柱脚插入250mm高8mm厚矩形钢筒内，采用4个M16的对拉螺栓在2个方向对竹柱与钢筒之间进行固定，如图5(a)所示，矩形钢筒焊接于底部10mm厚钢板，由4个M20锚栓锚固于基础，保证地震作用下上部结构与基础间不发生错动；（2）墙骨柱与基础的连接节点。每根墙骨柱通过2片对称角钢实现其与基础的连接：竹墙骨柱与L形角钢之间通过钉接固定，L形角钢与基础通过M12锚栓固定，如图5(b)所示；（3）柱与梁的连接节点。如图5(c)所示，在竹柱的四周通过螺栓固定了连接钢板，在连接钢板的外侧焊接U形托，以实现对竹梁的支撑，梁端伸入U形托后，通过螺栓固定梁的位置；（4）主、次梁的连接节点。如图5(d)所示，通过2个相互垂直焊接的U形钢板连接件实现型主、次梁之间连接，U形钢板与主梁和次梁各通过2根对拉螺栓固定。其它连接节点与以上节点类似，不一一给出，这些节点的设计，能满足各类复杂节点的连接要求，传力路径明确；同时，预加工的金属连接件保证了结构的安装速度、安装质量，有利于实现住宅的标准化、工业化；另外，此类节点对保证结构良好的抗震性能是有利的，螺栓连接使得结构具有一定的变形能力，金属节点保证了“强节点，弱构件”的抗震理念。
4.4其他设计
基础采用混凝土浅基础，并根据实际地质情况沿轴线设置地圈梁加强结构整体性，调节不均匀沉降。外墙采用双层竹帘胶合板墙板，中间添加保温层，保温材料是玻璃纤维、矿棉或棉毡，墙外侧铺设钢丝网粉刷砂浆，既满足建筑节能要求，又满足建筑防盗要求，很大程度上提高了建筑的舒适性和安全性。内墙根据隔声要求采用中空双层竹帘胶合板墙板，中。间填。塞隔声材料。虽然竹质工程材料已经可以通过生产工艺具备良好的耐火、防潮和耐腐蚀性能，但是在干湿循环作用下仍存在老化现象，各项力学性能指标都会发生少量削减，因此在结构方面必须考虑这一因素。首先，在结构设计计算中，各项力学性能指标都综合现有竹质工程材料的老化试验研究结果给予折减，充分考虑材料老化的影响；其次，考虑到二层的阳台也为竹制，为减轻干湿循环造成的影响，除了设计中采取强度和刚度折减以外，在构造上将屋面出挑与阳台外沿平，同时为挑出屋面部分做三角撑以支承屋面檩条；第三，将底层楼面架空高于地面600mm以上，底层楼面固定在混凝土底座上，南北两主要立面上混凝土底梁下至室外地面间留空，保证空气流通，防止潮气郁塞
防火方面，可根据现行《建筑设计防火规范》中的规定灵活应用，墙体、天棚可采用防火石膏板作为饰面。
5结论
本文系统地分析了竹结构建筑的优势之处，与其它结构相比，竹结构在生态性、工业化、施工、节能、抗震性能和经济性方面都具有显著的优势，许多方面都与木结构相似，尤其具有比木结构更好的生态性；在对目前3种性能较好的竹质工程材料制造工艺、特点进行对比分析的基础上，选择了不同的竹质工程材料制作了新型竹结构抗震安居示范房的主要构件，具体为竹帘胶合板制作楼屋面板及墙板、竹材层积材制作梁、竹材重组材制作柱，随后重点介绍了竹结构抗震安居示范房设计的关键技术，主要包括结构设计的主要抗震思想、关键节点设计、竹质工程材料的防潮与结构的防火措施。目前，该工程已在南京林业大学的校园内开工建设，一层施工已基本完成，关键技术的解决对确保该工程的顺利进展具有重要的作用。该新型竹结构抗震安居示范房的成功建设为汶川地震后村镇住宅的重建提供了一个良好的选择。
致谢
本文研究得到了南京林业大学蒋身学教授、杨平教授、黄东升教授、东南大学吴刚教授、欧晓星老师等的帮助和支持，在此表示深深地感谢！
参考文献
['1'] 叶明,钱城,郝赤彪.新型绿色建材─竹材人造板探讨['J'].青岛理工大学学报,2007,28(5):41-44.
['2'] 朱建新,盛素玲.浅谈竹结构建筑的生态性['J'].建筑科学,2005,21(4):92-94.
['3'] 郑凯,陈绪和.竹材人造板在预制房屋建造中的应用前景['J'].世界竹藤通讯,2006, 4(1):1-5.
['4'] 竹屋抗震性能令人吃惊—世界林业动态. ['J'].世界竹藤通讯,2004,2(4):10.
['5'] 孙正军, 程强, 江泽慧.竹质工程材料的制造方法与性能['J'].复合材料学报,2008, 24(1):80-83.
['6'] 李琴,汪奎宏,华锡奇.重组竹生产工艺的初步研究['J'].人造板通讯,2001,7:6-9.
['7'] 孙红亮.轻型木结构住宅的性能研究['J'].天津建设科技, 2007,3:33-36.
['8'] 程海江.现代木结构建筑在我国的应用模式及前景研究['D'].同济大学硕士论文,2007.
孙永良.轻型木结构齿板连接节点承载能力研究['D'].同济大学硕士论文,2007.