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竹与土木工程
发布日期: 2012-09-10 阅读次数: 1438

竹与“松”、“梅”并称“岁寒三友”,向来是坚劲高洁的君子的象征。我国国画家李苦禅在他画的竹子画上题词说:“木出土时先有节,长到凌云还虚心”,“节”、“虚心”、四季常青这几种品质,使其成为天然的合理力学结构。一直以来,由于竹子本身具有质轻、高强、韧性好等多种优点,自古就用于建筑及受力结构。而近年来随着科学技术的发展,人们不但将竹材广泛用于土建行业,对竹子的仿生结构也有了新的研究,许多竹子仿生建筑应运而生。
显然竹子在土木工程有着重要的作用。
一.竹材在土木工程中的应用。
竹子是良好的天然建筑材料,有以下优点:1)强度高、韧性好、耐磨性佳、不易开裂;2)光泽淡而柔和、亮而均匀、外型美观、格调清新高雅;3)防腐防潮性能好,不发霉,不易生虫和变形;4)结构别致新颖,外观美观大方精致、经久耐用、装饰效果好;5)生产过程中竹材利用率高,对环境影响小。而且成本不高。因而是良好的天然材料。
我国2000多年前,即已广用于民间房屋和桥梁的建造。迄今南方各省仍多采用竹子盖一些半永久性或临时性的房屋、棚舍和仓库等。在庭园中以竹建亭谢和走廊相联,更有东方别致之感。
竹材还被人们巧的用于现代大型高层建筑,和高荷载的桥梁建设。如昆明市建筑设计院和昆明建筑公司曾设计了油竹材建成的大型竹楼,并于1984年在瑞士苏黎世举行的"自然奇观"展览会上展出,为各方面所注目。1985年又重建在荷兰鹿特丹,该楼高22.5m,分为五层,慰为壮观,是我国传统竹工艺的处理手法和现代设计技术相结合的产物。1988年.他们又在德国巴登符腾堡州第九届花园博览会上用竹子建造了一座高7.7m,全长55m的两跨竹桥.再一次引起轰动,被称为"欧洲第一竹桥"。2007年,由湖南大学土木工程学院研究建成的耒阳的浔江河上在竹桥正式通车,成为世界第一座可行车竹桥。
在国外一些盛产竹材的国家.如孟加拉国农村房屋90%用竹材建造。国外有关竹材在这方面应用的文献颇多,如美国学者F.A.McClure曾把中南美竹建材建房的基本方法加以总结,于1953年出版了《竹子建材》(Bamboo as a Building Material)一书,联合国社会节务和经济部于1972年出版了《竹子和芦苇在建筑上的应用》。一直以来人们关于竹材的理论研究为其在建筑等行业在应用打下了坚实的理论基础。
竹材在土建工程中用途很多,大致可分为以下几类:基柱、建筑推架、脚手架、地面材料(地板)。屋面材料(竹瓦)、墙壁(竹板墙、篱笆墙)、桁架、土竹结构、室内装饰、竹水管、竹筋混泥土竹桥等。下具体介绍几种竹材料的应用。
(一)竹地板
随着森林资源的不断减少,竹子作为一种可以在较短期间内再生的资源在日常生活中得以广泛应用,其中在家庭装修方面也被尝试用于制作地板。竹地板一般用速生杂木作为基层,面层用竹子,都锯成小块黏合而成。
竹地板相对传统的木地板有明显的优点。竹地板收缩和膨胀要比实木地板小,所以其稳定性比木地板好很多。
竹子导热系数低,让人无论在什么季节都可以舒适地赤脚在上面行走,可以说是冬暖夏凉。比一般的地板砖要舒适。
(二)竹/玻璃钢复合建筑材料结构
竹/玻璃钢复合建筑材料结构是一种超混合复合材料结构,该材料结构以天然竹子为主要承力构件,加玻璃纤维增强复合材料、添加剂和填充材料等,经特殊工艺过程复合而成的一种新型三维复合材料结构。在各种结构中竹子为主要承力构件,玻璃纤维增强复合材料起到美观、装饰、防主成型等作用,填充材料起到粘接、强化结点、保温隔热、降噪等功能。该结构具有三维增强作用,良好的组合、分支和补强功能,达到以竹代木、以竹代钢,替代其它材料的目的,具有广泛的应用价值。
由于该材料结构可替代部分钢材和木材及其它材料,减少木材的砍伐,使中国森林资源得以保护,有利于维持生态平衡,减少水土流失,降低自然灾害的发生,所以其社会效益更为显著。
(三)土建中的竹结构
用竹材制成的结构。在中国南方盛产竹材的地方,用竹材建造房屋(见彩图)由来已久。利用竹蔑编成的竹索做成能跨越20~30米的吊桥,称为竹索桥,这种桥梁在中国的应用也有悠久的历史。
2007年由湖南大学土木工程学院设计建造的第一座可行车竹桥,利用的也是竹结构。此桥得到国内外业内人士的一致好评。
总之,竹材具有资源丰富、成长周期短、能耗低、材料性能良好等特点,将其应用于中小型土木工程的建筑或桥梁建设,不仅经济、减少消耗,且符合生态环保及可持续发展要求,将具有广阔的应用发展前景.
二.竹子仿生结构在土木中的应用
竹子不仅本身可以作为建筑材料用于土木工程,其形态结构更是天然的合理力学结构,在建筑仿生学中也有着重要的作用。
竹子的茎杆很特别,每隔一段就会长有竹节。从力学角度考虑,每个竹节相当于一个横向抗扭箱,抵抗水平方向上的扭矩,同时能大大提高竹子横向抗挤压和抗剪切的能力。竹子在风载作用下各段抵抗弯曲变形能力基本相同,相当于一种阶梯状变截面杆,是一种近似的“等强度杆”。而其下粗上细的特点也刚好适应于下部弯矩大、上部弯矩小的需要。所以其在风雨中也不会折断受损。
我们可以这样想象,竹的纤维相当于混泥土中的钢筋,其他木质部相当于混泥土。这样可以将竹子的结构仿生到建筑混泥土结构。
竹子的这种结构是良好的力学模型,人们引用仿生学原理,将这种结构应用于高层建筑设计。这种结构的高层建筑稳定性强,抗风能力和抵抗地震横波的冲击能力较好。
随着现代建设的飞速发展,建设用地越来越紧张。为了在较小的土地范围内建造更多的建筑面积,建筑物不得不向高层发展。但是在高层建筑,特别是超高层建筑的设计中人们遇到了各种各样的问题。其中主要一点就是高空强风引起建筑物的摇晃,特别是强台风地区,更为严重。如“台北101”,其采用的就是设置“协调质块阻尼器”的方法。
又如马来西亚槟城88层的云顶大厦,当今世界有名的高层建筑之一,高达452m,是一个典型的“仿竹”杰作。它底部宽大,到一定的高度就变细一节,是一种阶梯状等强度管状结构。正由于它具有合理的力学结构,才被大胆地建在一个多台风的海边城市。
竹子多生长在河边,河边多为砂性土。那么竹子为何能完好地在那里成长,而不会被河边的大风吹倒,甚至洪水冲走呢?其实它的根系也很特别,仔细观察,我们可以发现其根有的在土中,有的露在上面。和茎杆一样,竹的根也有分节(原因和作用现在还不清楚)它的须根系分布很有特点。这样就使得其根部更牢固。我们可以把这点利用仿生学原理,应用到建筑基础的设计和处理中。
虽然如此,对于竹的研究依然有尚未解决的许多问题。如果能更好地分析其潜在的力学特性,则更能有助于“仿竹”结构的应用,特别是在高层建筑中的应用。这既能缓解土地紧缺的压力,同时更有助于提高建筑物抵抗风载、地震等不良因素的能力,具有深远的意义。
总之竹子在土木工程中重要的应用。其潜在利用价值非常之大,值得我们去深入研究。
土木工程发展史上的每次革命性的突破都是建立在新型土建材料的发展基础上。而结构的创新是解决如何将这些材料更有效更合理地利用到土木工程中。
竹正具备这样的特点,良好的天然绿色材料,良好的力学结构等都是可以好好利用的。也许竹子还有潜在的价值可以挖掘,我们都可以将其合理地用于土木工程。土木的广阔的发展前景是不可估量的.

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