近日，我院魏洋教授团队围绕重组竹这一生物质复合材料在传统混凝土结构或钢结构中的应用，在国际期刊《Engineering Structures》《Thin-Walled Structure》等发表了系列研究论文。成果获得了国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目的资助。
重组竹作为一种以竹纤维为基材的新型复合材料，在土木工程结构中具有显著的节能减排优势。针对其优异的顺纹方向力学性能，系列研究主要聚焦于以下应用方向：在混凝土结构中替代纵向抗拉钢筋及抗剪箍筋；用作钢结构的增强，作为钢结构梁中防止翼缘屈曲失稳的加劲肋；以及与型钢组合形成优势互补的竹-钢组合结构。
为了探究重组竹作为钢筋的替代材料在传统混凝土结构中的应用效果，对四根竹筋混凝土（BSRC）梁、一根钢筋混凝土（SRC）梁和两根竹筋-钢筋混合（Hybrid）梁进行了四点弯曲试验。研究了竹筋配筋率、表面改性以及竹筋和钢筋混合使用对试验梁抗弯性能的影响。研究结果表明，BSRC梁因纵向钢筋断裂而失效，而SRC和混合梁在钢筋屈服后出现顶部混凝土破碎。提高配筋率和竹筋的表面改性可提高竹筋混凝土梁的抗弯强度（达到SRC梁抗弯强度的65.3%），并减少裂缝宽度和间距。随着混合梁中钢筋含量的增加，其抗弯强度比BSRC梁分别提高了20.4%和40.8%，分别达到SRC梁强度的78.6%和91.9%。最后修正了BSRC和混合梁的抗弯承载力公式，预测结果显示出良好的准确性，同时还对试验梁的挠曲和变形能力进行了比较分析。这为竹筋混凝土梁结构的工程应用奠定一定的理论基础，对双碳背景下减少钢筋等传统材料的消耗，开发绿色可再生竹材资源具有重要的意义。
竹筋网骨架施工工艺流程
不同参数竹筋混凝土梁四点弯曲试验下荷载-跨中挠度曲线对比
在竹材增强钢结构方面，论文提出了新型的重组竹加劲肋（BSSs）加固钢梁的方法，以用于对老旧钢结构加固，在避免传统焊接钢板加劲肋时所产生的残余应力的同时，具有更简单的构造与高效便捷的施工工艺。试验结果证实了，该方法实现了工字钢梁延性的大幅提升（47.27%~150.31%），有效改善了其横向弯扭屈曲的失稳行为（LTB）；进一步建立了一系列对应于纯工字钢梁和 BSS 加固的工字钢梁的精细有限元模型 （FEM），捕获了研究实验中难以获得的不稳定区域的 Mises 应力分布，得到了良好的仿真结果。
重组竹加劲肋（BSSs）加固钢结构梁概念
重组竹加劲肋（BSSs）加固钢梁的荷载-挠度关系曲线及延性提升预测
在竹-钢组合方面，提出了工字钢梁两侧部分填充重组竹材的钢-竹组合梁结构，对其进行了一系列抗弯、抗剪测试。抗弯试验结果表明，与纯竹梁相比，组合梁的极限承载力显著提高了96.5%，与纯钢梁相比提高了72.7%。并基于纤维条带法，开发了用于预测钢-竹组合梁极限弯矩值的计算程序，预测结果与试验结果吻合精确。钢-竹组合梁的抗剪承载力则体现出，随剪跨比的减小而增大的特性，剪跨比每减小0.3，抗剪承载力增大14.9%。基于试验与有限元模拟结构，在考虑了工字钢翼缘抗剪系数η及剪跨比λ的前提下，提出了钢-竹组合梁的抗剪承载力计算公式，并给出了竹-钢组合在实际工程中的应用设计建议。
竹-钢组合梁抗弯试验破坏模式及其与有限元仿真结果对比
竹-钢组合梁抗剪承载力参数影响规律
供稿：龚子涵；供图：易际阳；审核：魏洋；编辑：许历隆
