本次试验楼板模型长度为2 000 mm,宽度为690 mm,厚度为240 mm.将7根直径为90±2 mm原竹并排,通过顶部、底部直径为50±1 mm的横向原竹和螺栓连接成竹筏状骨架,如图1所示,原竹的截面尺寸见表1所示.然后在原竹上喷涂复合材料,最后在组合楼板的两侧涂抹10 mm厚抹面砂浆.

图1 楼板制作过程(单位: mm)
Fig.1 Working process of specimens(unit: mm)

表1 原竹尺寸
Tab.1 The sample size of bamboo culms

加载初期,挠度随荷载变化缓慢,整体工作性能较好.当荷载为7 kN(约5.6 kN/m²)时跨中挠度值为0.56 mm(l/3 214,l为楼板计算跨度1 800 mm).荷载达到10 kN(约8 kN/m²)时,跨中挠度为0.81mm(l/2 222).继续加载,楼板底面出现大量微小裂纹,楼板整体出现较明显的弯曲变形,如图4(a).当跨中挠度达到GB50005-2003《木结构设计规范》^[12]限值l/250(7.2 mm)时,荷载为29 kN.随后楼板底面裂缝宽度增加,如图4(b).当加载到48 kN时,东西两端原竹与喷涂材料之间出现较明显滑移,如图4(c)所示.当荷载加到85 kN时,横向原竹劈裂,如图4(d)所示.加载至96 kN时,楼板南侧跨中发出两声巨响,两根原竹下侧断裂,如图4(e)和4(f)所示,荷载迅速下降.

采用电阻应变片记录原竹上下侧的应变变化情况,结果如图5所示.试件在不同荷载作用阶段,原竹各测点的应变情况如图6所示,其中上侧曲线表示原竹顶部应变,下部曲线表示原竹底部应变.分析图5及图6可知,在试件破坏前,各测点应变基本呈现线性变化趋势.加载初始,原竹顶部应变与底部应变一致为拉,表明此时楼板整体性良好,原竹上侧喷涂材料承压; 之后顶部应变开始为压,表明喷涂材料逐渐与原竹剥离,上侧原竹逐渐承压,楼板中性轴位于原竹水平中轴上侧; 当荷载达到一定值时,喷涂材料大面积剥

图4 楼板破坏情况
Fig.4 Failure modes of the slab

图5 各测点P-ε曲线
Fig.5 Load-strain curves on monitoring points

图6 不同荷载阶段作用下的P-ε曲线
Fig.6 Load-strain curves under different load levels

参考文献[13],试件在竖向荷载作用下,跨中挠度实际值按下列公式进行计算:

α⁰_t=α⁰_q+α⁰_g(1)

α⁰_q=v⁰_m-1/2(v⁰_l+v⁰_r)(2)

α⁰_g=(M_g)/(M_b)α⁰_b(3)

式中:α⁰_t为全部荷载作用下构件跨中的挠度实际值; α⁰_q为外加试验荷载作用下构件跨中的挠度实测值; α⁰_g为构件自重和加荷设备重量产生的跨中挠度值; v⁰_m为全部荷载作用下构件跨中的位移实测值; v⁰_l、v⁰_r为外加荷载作用下构件左、右支座沉陷位移的实测值; M_g为构件自重和加荷设备重产生的跨中弯矩值; M_b为从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中弯矩值; α⁰_b为从外加试验荷载开始至构件出现裂缝的前一级荷载为止的外加荷载产生的跨中挠度实测值.

1-5号测点实测位移值如图7(a)所示,根据各级荷载下各测点的位移实测值,按式(1)～(3)计算楼板跨中实际挠度值,结果如图7(b)所示.可知,在加载初期楼板抗弯刚度较大,曲线呈线性快速上升,此时喷涂复合材料与原竹的组合效应较好.当荷载超过12 kN后,曲线变缓,主要是因为喷涂材料逐渐开裂剥离,与原竹协同作用变弱,楼板刚度降低.荷载达到峰值前,楼板跨中3号、6号和7号测点挠度值基本相同,说明试验实际加载较为成功,楼板未出现扭转.荷载达到极值后,由于南侧原竹断裂,楼板整体倾斜,楼板跨中挠曲由北到南(沿测点6→3→7方向)逐渐增大.荷载达到峰值(95 kN)时,楼板跨中挠度为46 mm(l/39).

图8给出了试件在各级荷载作用下其挠曲变形的发展情况.图中横坐标为试件上各点距楼板跨中的距离; 纵坐标为楼板挠度.其中95 kN为峰值荷载.由图可知,楼板在整个加载过程中竖向变形基本呈正弦半波的形式.由于组合楼板是由多根原竹组成,部分原竹断裂后,剩余原竹依仍能承担一定荷载.

图7 荷载-挠度曲线
Fig.7 Load-displacement curves

图8 不同荷载阶段的挠度发展
Fig.8 Development of displacement under different load levels

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012^[14]要求计算得楼面最不利荷载组合为6.5 kN/m².试验组合楼板挠度达到木结构规范规定的的限值l/250(7.2 mm)时,荷载为29 kN(约23 kN/m²),为最不利荷载组合的3.5倍,满足正常使用要求.可知在规范所允许的挠度限值内,喷涂复合材料-密布原竹组合楼板可作为建筑楼板使用.

根据材料力学方法,不考虑原竹初始弯曲、劈裂、尖削等缺陷,假设原竹为等截面圆筒且满足平截面假定,取弹性模量E=11 GPa.对于外径D=90 mm,内径d=72 mm(0.8D),长度l=2 000 mm的原竹,按公式Δ=(5ql⁴)/(384EI)计算可知,在楼板挠度达到木结构规范的限值l/250时,本试验原竹能够承担荷载5.6 kN/m²,占组合楼板总称重量的24.3%.