重组竹纵向单轴应力-应变关系的实验研究
摘要：平行股竹作为一种具有广泛应用潜力的建筑结构材料。研究纵向应力-应变关系是建立平行绞线竹复合材料本构关系和对平行绞线竹复合材料构件进行非弹性分析的重要手段。为此，研究了平行绞线竹复合材料在纵向上的拉伸和压缩破坏模式和破坏机制。建立了平行绞线竹复合材料的应力-应变解析公式，用于拉、压相关计算。拉伸破坏是由纵向纤维损伤引起的，表现为脆性破坏。压缩破坏是由纤维在损伤区附近的屈曲引起的。此外，还观察到三种类型的破坏模式;纵向屈曲破坏、压剪破坏和纵向压碎破坏。平行股竹复合材料在纵向上的应力-应变关系表现为线性拉伸行为。然而，压缩的应力-应变关系在比例极限范围内保持线性，一旦应力超过该比例极限，就会变成非线性，可以用二次多项式模拟。实验数据与模型预测结果吻合较好，表明该模型具有较高的预测精度。
关键词：平行股竹；单轴应力-应变关系；失效模式；失效机理
介绍
重组竹(PSB)是一种高强度竹基复合材料，它是由平行排列的竹材与酚醛树脂在高压下纵向粘接所制成。其机械性能和阻燃性能相比较木材均优，而且制作过程乙醛排放量低于欧盟E1级标准要求。经过近30年的研究和发展，PSB的制造方法和技术已经确立标准。通过现有的制备方法制备的PSB在纵向(平行晶粒)方向的抗拉和抗压强度分别为160 MPa和140 MPa。其中纵向PSB的模量达到14000 MPa (Huang et al. 2013);工业制备的PSB复合材料具有同样的性能和稳定的力学性质，可以根据不同的要求制成各种不同形状和尺寸的复合材料。PSB复合材料的含水率小于12%，且PSB与未改性竹相比，其发生破坏(收缩、翘曲、拔罐、弯曲或劈裂)的可能性较小。近二十年来，PSB复合材料已被广泛应用于地板、家具等装饰材料。而近年来，这种材料在建筑中的应用也引起了人们的关注。
在发生于5月12日汶川地震之后，我国开始有一些学者开始尝试在建筑结构中使用PSB复合材料。比如一些现代竹结构体系，如轻竹结构(Xiao et al. 2009;Gou等人2011a,b;Xiao and Ma 2012)、钢-竹混合结构(Li et . 2012)和PSB框架结构(Zhou et . 2012)的发展。南京林业大学和四川青川的预制PSB框架结构示范房在5月12日遭到地震的严重破坏(Wei et al. 2011;Zhou等，2012)。工程实践表明，PSB结构在经济性、安全性和标准化施工方面优于其他传统建筑结构。并且由于其重量轻的特点，PSB组件易于携带和安装，尤其适用于快速施工，需要指出的是：因为PSB建筑可以通过干式施工，所以建造PSB结构不需要其他的很复杂施工技能。同时因为结构构件是由制造商设计和制造的，所以结构的安全性可以得到保证。
由于PSB复合材料的纤维在纵向上是平行的。而在横向(垂直于晶粒)方向上则为均匀分布。因此，PSB的力学性能具有明显的取向性(Chung et al. 2002;Lo等，2004年，2008年;黄等，2010)。因此可以得知，PSB是一种定向纤维增强生物复合材料。PSB的纵向力学性能不同于横向力学性能。即使是同一方向的拉伸和压缩性能也存在显著差异。同时，PSB复合材料的纵向压缩应力-应变关系表现出明显的非线性(Huang et al. 2013; Chen et al. 2015) 关系。因此，当应力接近或达到承载能力极限时，可以得知PSB构件的荷载-变形关系呈现非线性。在结构设计中人们需要考虑材料的非线性特性是获得最终设计成果理念的基本要求。传统结构(如混凝土和钢结构)最大承载能力的非线性分析得到了很好的发展; 但由于其本构关系和破坏机制与传统材料存在显著差异，因此不适用于PSB结构的非线性分析。目前工程实践中PSB构件的承载能力和极限变形是通过直接试验获得的(Lu et. 2008;Wei等，2010)。因此，建立PSB复合材料的非线性应力应变关系对PSB构件的非线性分析至关重要。
PSB复合材料第一次在我国成功制造距今已有30年的历史。人们对其物理性能的制造工艺进行了充分的研究和了解(Li等，2001;Xiao等人，2005;Li等人2009;2016年春)。然而，针对PSB的设计思想和结构分析理论，人们尚未开展其力学行为的基础研究，同时对PSB复合材料的失效机理也没有很好的认识。导致目前还没有针对PSB构件在极限状态下的本构规律或非线性分析方法。
本文将PSB理想化为正交各向异性和横观各向同性复合材料。该复合材料的平行与晶粒方向和垂直于晶粒方向分别定义为纵向和横向。通过试验研究了纵向拉伸和压缩损伤模式。研究了相应损伤模式的破坏机理，从而建立PSB复合材料的应力-应变解析公式。
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