Research on existing bulidings strengthened with bamboo. Presented at the International Training Workshop on Sustainable Industrialization and Commercialization of NTFPs.

1. 建筑和竹材料在高等级建筑和高端产品中的应用
竹材加固既有建筑的研究
Research on existing bulidings strengthened with bamboo
上海市建筑科学研究院（集团）有限公司
许清风
2015.8.27
“竹子产业可持续发展”专题研讨会

2. 目 录
Outline
1. 竹材的优缺点
2. 竹材加固木结构的试验研究
3. 竹材加固混凝土结构的试验研究
4. 展望

3. 1. 竹材的优缺点
1. Advantages and disadvantages of bamboo
缺点(disadvantages)：
1. 尺寸受到限制；
2. 耐久性需要提升；
3. 防火防霉防虫需要处理。
优点(advantages)：
1. 为生物质材料、生长过程中固碳，可自然降解；
2. 具有与木材相似的弹性模量和纹理；
3. 具有较高的强重比；
4. 材料易得、在我国广泛分布，易于本地化。

4. 2. 竹材加固木结构的试验研究
2. Experiments on timber structures strengthened with bamboo
粘贴竹片/竹板加固木梁试件设计
试件编号 加固材料 加固方案
CB1~CB3 — 对比试件、所有试件尺寸均为100mm×200mm×4000mm
B22
竹片
木梁底面全长粘贴一层5mm厚竹片
B23 木梁底面受力跨内粘贴一层5mm厚竹片
B24 木梁底面受力跨内粘贴一层5mm厚竹片，并在端部用2个
CFRP布U形箍进行端部锚固
B1
胶合竹板
木梁底面粘贴一层5mm厚3200mm长横压胶合竹板
木梁底面粘贴一层5mm厚2950mm长侧压胶合竹板
B2
木梁底面粘贴一层5mm厚3200mm长横压胶合竹板和1层5mm
厚2950mm长侧压胶合竹板，端部CFRP布锚固B3
木梁底面粘贴一层20mm厚2950mm长侧压胶合竹板，竹板端
部用2个CFRP布口形箍进行锚固B4

5. 木梁
分配梁 千斤顶加载
加载示意图
应变片，顶面和底面应变片在中间位置；
侧面应变片位置如图。
位移计
底面(宽度放大，
示出5根竹片位置)
顶面
侧面
侧面
应变片和位移计布置
2. 竹材加固木结构的试验研究
2. Experiments on timber structures strengthened with bamboo

6. 竹材试验
Tension test of bamboo plate
竹材性能试件
竹片受拉试验

7. 破坏形态—粘贴竹片
Failure mode —— strengthened with bamboo plates
粘贴竹片加固木梁破坏形态

8. 破坏形态—粘贴胶合竹板
Failure mode —— strengthened with glubam plates
粘贴胶合竹板加固木梁破坏形态
B1 B2
B3 B4

9. 荷载—位移曲线
Load-displacement curve
粘贴胶合竹板加固试件荷载-位移曲线
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140
位移（mm）
荷载（kN）
CB1
CB2
CB3
B22
B23
B24
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120 140 160
跨中挠度/mm
荷载/kN
CB1
CB2
CB3
B1
B2
B3
B4
粘贴竹片加固试件荷载-位移曲线

10. 跨中截面应变变化
strain profile at mid-span cross-section
试件跨中截面沿截面高度应变变化
对比试件和粘贴竹片/胶合竹板加固木梁的跨中截面应变随荷载增加
均仍基本符合平截面假定。
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000
应变（10-6
）
距中轴距离（mm）
6kN
12kN
18kN
24kN
30kN
36kN
41kN
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
-4000 -2000 0 2000 4000
应变（10-6
）
距中轴距离（mm）
9kN
18kN
27kN
36kN
45kN
54kN
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
-4000 -2000 0 2000 4000 6000
应变（10-6
）
距中轴距离（mm）
6kN
12kN
18kN
24kN
30kN
36kN
CB1 B22 B24
CB2 B2 B4
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
应变（10-6
）
距中轴距离（mm）
3kN
6kN
9kN
12kN
15kN
18kN
21kN

11. 2. 竹材加固木结构的试验研究—小结
Summary
 木梁底面粘贴竹片/胶合竹板加固后，受弯承载力平均提高80%
；破坏位移平均提高50%。
 粘贴竹片/胶合竹板加固木梁跨中截面应变随荷载增加仍基本
符合平截面假定。
 粘贴竹片/胶合竹板加固木梁在正常使用极限下达到挠度限值
时的荷载较对比木梁平均提高60%，因而粘贴竹片/胶合竹板加
固对提高木梁正常使用极限状态下性能亦有明显作用。

12. 3. 竹材加固混凝土结构的试验研究
3. Experiments on RC structures strengthened with bamboo
一、粘贴竹片/胶合竹板加固混凝土梁试件设计
试件编号 加固材料 加固方案
DB1~DB2 — 对比试件、所有试件尺寸均为150mm×250mm×2000mm
B1
竹片
在混凝土梁底粘贴一层5mm厚等长竹片
B2 在混凝土梁底粘贴两层5mm厚不等长竹片，竹片由边缘向中间均有缩
进，外层较内层亦有缩进
B3 在混凝土梁底粘贴三层5mm厚不等长竹片，竹片由边缘向中间均有缩
进，外层较内层亦有缩进
B4
胶合竹板
仅在弯剪区粘贴3层竖向CFRP布、防止试件发生剪切破坏
B5 先在梁底跨内贴1层5mm厚横压胶合竹板，再在弯剪区粘贴CFRP布
B6 先在梁底跨内贴1层5mm厚侧压胶合竹板，再在弯剪区粘贴CFRP布
B7 先在梁底跨内贴1层5mm厚横压+1层5mm厚侧压胶合竹板，再在弯剪
区粘贴CFRP布
B8 先在梁底跨内贴1层20mm侧压胶合竹板，再在弯剪区粘贴CFRP布

13. 砼梁配筋及试验示意
Reinforcement of RC beams and test setup
混凝土梁配筋图
3 12
2 12
11
1-1
千斤顶加载分配梁
混凝土梁
加载示意图 应变片和位移计布置图
30#29#
28#
27# 26# 25# 24# 23# 22#
20#19#
18#
17#16#15#14#
21# 12#
13#
11#
10#
7# 8#
底面
侧面
侧面
顶面
3#
5#
9#
4#
6#
2#
1#

14. 破坏形态—粘贴竹片
Failure mode —— strengthened with bamboo plates
B1 B2 B3
粘贴竹片加固混凝土梁破坏形态
DB1 DB2

15. 破坏形态—粘贴胶合竹板
Failure mode —— strengthened with glubam plates
B6 B7 B8
粘贴胶合竹板加固混凝土梁破坏形态
B4 B5

16. 裂缝分布—粘贴竹片
Cracking mode —— strengthened with bamboo plates
粘贴竹片加固混凝土梁裂缝开展图
裂缝图
2 裂缝图
裂缝图
2 裂缝图
1 裂缝图
45
6565
35
50
4070
压碎区压碎区
压碎区压碎区
压碎区
压碎区
120
100
90
80
70
100
90
80
50
100
70
60
5050
20
100
70
20
80
70
70
40
70
60
90
40
40
50
80
70
50
100
5070
70
50
30
100
40
110
70
50
30
70
70
110
90110
90
90
70
50
45
80
70
6070
80
70
50
70
45
110
25
50
35
30
4530
70
110
110
50
45
100
100
80
100
80
55
45
80
80
70 50
45
25
80
70
90
70
85
80
75
80
65
35
45
2055
2070
45
35
65
45
45
305025
45
80
45
40
65
55
30
45
35
75
70
65
75
35
90
7565
75
65
70
75
65
75
65
60
45
4060
60
40
25
85
60
90
70
35
15
65
15
75
60
35
80
35
25
20
15
80
60
75
30
60
45
30
85
35
60
45
35
25
60
85
80
70
60
65
75
95
90
85
90
80
75
70
65
80
65
30
40
35
30
40
35
30
85
55
4565
50
30
95
30
20
15
10
95
50
30
2570
50
55
85
40
35
55
40
55
8580
75
55
50
90
75
70
75
90
50

17. 裂缝分布—粘贴胶合竹板
Cracking mode —— strengthened with glubam plates
粘贴胶合竹板加固混凝土梁裂缝开展图
40
50
70
90
70
50
16
18
100
50
60
80
100
100 40
50
90
100
100
混凝土压碎
40
70
70
90
80 80
50
40
60
100
70
70
40
50
70
竹片拉断，混凝土剥离
50
70
100
90
23
30
50
80
100
40
90
6070 60
40
70
80
70
50
90
70
90
6060
70
80
90
100
7030
40
50
80
10040
50
60
90
混凝土压碎
80
60
27
60
100
100 100
100
90
70
60
90
70
70
40
100
竹片拉断
混凝土压碎
B4裂缝开展图
B5裂缝开展图
B6裂缝开展图
B7裂缝开展图
B8裂缝开展图
竹片拉断，混凝土剥离
竹片拉断，混凝土剥离

18. 主要试验结果
Main test results
粘贴竹片加固试件荷载-位移曲线对比 粘贴胶合竹板加固试件荷载-位移曲线对比
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 20 40 60 80 100 120 140
位移（mm）
荷载（kN）
DB1
DB2
B1
B2
B3
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
DB1 DB2 B1 B2 B3
初始弯曲刚度(kN/mm)
粘贴竹片加固梁初始弯曲刚度对比 粘贴胶合竹板加固梁延性系数对比
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80 100 120
跨中挠度/mm
荷载/kN
B4
B5
B6
B7
B8
DB1
DB2
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
DB1 DB2 B4 B5 B6 B7 B8
延性系数

19. 理论分析
Theoretical analysis
临界状态下的加固试件正截面受弯承载力计算简图
buε
cuε
xcb
hb
h
h0as
b
As
Ab
M
f c
xb
f y As
f bu Ab
f y As
εs
sε
' '
'
理论计算结果与试验结果的对比
试件
编号
计算结果 试验结果 计算
误差
/%极限承载力/kN 破坏模式
极限承载力
/kN
破坏模式
DB1-DB2 119.4 砼压碎引起的弯曲破坏 123.7 砼压碎引起的弯曲破坏 -3.5
B4 119.4 砼压碎引起的弯曲破坏 120.3 砼压碎引起的弯曲破坏 -0.7
B5 138.6 竹板拉断引起的弯曲破坏 157.6 竹板拉断引起的弯曲破坏 -12.1
B6 138.6 竹板拉断引起的弯曲破坏 144.1 竹板拉断引起的弯曲破坏 -3.8

20. 数值分析
Numerical analysis
采用ANSYS进行数值分析。有限元模型采用分离式建模方式，混凝土和
竹板选用SOLID65单元，钢筋选用LINK8单元，碳纤维布采用Shell41单元，不
考虑其抗压能力，加载垫块采用SOLID45单元。对于材料模型，本文采用文
献定义的混凝土单轴受压应力-应变曲线，竹板单轴受拉应力－应变曲线则定
义为线弹性，同时对混凝土和竹板定义了W-W五参数破坏准则，并设置了其
开裂强度。钢筋单轴受拉应力－应变曲线方程采用用双线性等向强化模型。
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 120 140
跨中挠度/mm
极限荷载/kN
DB1试验值
DB2试验值
计算值
0
20
40
60
80
100
120
140
0 10 20 30 40 50 60 70
跨中挠度/mm
极限荷载/kN
B4试验值
计算值
数值分析结果与试验值的对比

21. 竹材加固混凝土梁的试验研究—小结
Summary
 对比试件和粘贴竹片/胶合竹板RC梁多发生延性弯曲破坏，个别加固试
件（B2）发生剪切破坏，个别加固试件（B3）发生脆性剥离破坏。
 粘贴竹片/胶合竹板加固RC梁的极限承载力提高22%~25%，平均提高24%
；初始弯曲刚度提高16%~118%，平均提高约55%。
 粘贴竹片/胶合竹板加固RC梁受弯承载力的理论计算和数值分析结果均
与试验值吻合较好，满足工程精度要求。粘贴竹片/胶合竹板加固RC梁
可根据该方法进行设计。
 通过加强加固竹片/胶合竹板端部锚固、提高表面粗糙度、采用专用结
构胶后，粘贴竹片/胶合竹板加固RC梁的加固效果将得到进一步提升。

22. 3. 竹材加固混凝土结构的试验研究
3. Experiments on RC structures strengthened with bamboo
二、粘贴胶合竹板加固预制空心板试件设计
试件编号 加固材料 加固方案
CS1~CS3 — 对比试件、均为YKB-5-39-3型预制空心板
S4
胶合竹板
板底跨内粘贴一层5mm厚横压胶合竹板
S5 板底跨内粘贴一层5mm厚侧压胶合竹板
S6 板底跨内粘贴一层20mm厚侧压胶合竹板，并在端部设置CFRP
箍
S7 板底跨内粘贴一层5mm厚侧压胶合竹板+一层5mm厚横压胶合
竹板，并在端部设置CFRP箍
S8 板底跨内沿板轴粘贴一层300mm宽的5mm厚侧压胶合竹板
S9 板底跨内粘贴两条150mm宽（间距60mm）的5mm厚侧压胶合
竹板

23. 加固试件特征
Details of test specimens
加固试件特征
S4 板底跨内粘贴1层5mm厚横压竹板
A-A
1层5mm厚横压竹片
AA
S6 板底跨内粘贴1层20mm厚侧压竹板加封闭CFRP箍
A-A
1层20mm厚横压竹片
AA
S5 板底跨内粘贴1层5mm厚侧压竹板
A-A
1层5mm厚侧压竹片
AA
封闭CFRP箍，搭接100mm
S7 板底跨内粘贴1层5mm厚侧压竹板
+1层5mm厚横压竹板,端部U形箍
A-A
1层5mm厚侧压竹片
+1层5mm厚横压竹片
AA
封闭CFRP箍，搭接100mm
S8 板底跨内粘贴1层300mm宽5mm厚侧压竹板 A-A
1层5mm厚侧压竹片
AA
S9 板底跨内粘贴2条150mm宽5mm厚侧压竹板
1层5mm厚侧压竹片
AA
A-A

24. 预制空心板配筋及试验示意
Reinforcement of PC hollow-core slabs and test setup
预制空心板配筋图
加载示意图 应变片和位移计布置图
490
120
11
490
1010
1-1
470 1010
95 100 100 100 95
762222
72
15Φ5b
1414
31
14 14
72
1414
72
14 14
72
14 14
31
预制空心板
千斤顶分配梁
垫砂
工型分配梁
板侧
应变片 位移计
板顶
板侧
板底
其余试件应变片布置图
18#
1#
2#
3#
4#
10#
11#
12#
13#
6#
8#
5#
7#
9#
19#
16#
17#
14#
15#
应变片 位移计
板底
S8板底应变片布置图
10#
11#
12#
13#
19# 17# 15#
22# 21# 20#
应变片 位移计
板底
10#
11#
12#
13#
19# 17# 15#
22# 21# 20#
24#25# 23#
S9板底应变片布置图
注：S8~S9其余三面应变片布置同此图

25. 破坏形态
Failure mode
S7 S8 S9
粘贴胶合竹板加固预制空心板破坏形态
S4 S5 S6

26. 主要试验结果
Main test results
加固预制空心板荷载-位移曲线
加固预制空心板荷载对比
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120
跨中挠度/mm
荷载/kN
CS1
CS3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
加固预制空心板弯曲刚度对比
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
CS1 CS3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
刚度/107
N.mm-1
初始弯曲刚度
开裂后刚度
0
10
20
30
40
50
60
70
CS1 CS2 CS3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
荷载/kN
开裂荷载
极限荷载

27. 应变分析
Strain analysis
试件跨中截面沿截面高度应变变化
试件跨中边缘应变对比图
CS1 S4 S5
-60
-40
-20
0
20
40
60
-1000 -500 0 500 1000 1500 2000
应变/10-6
距中轴距离/mm
2.0kN
4.5kN
7.1kN
10.1kN
12.9kN
16.1kN
17.7kN
20.2kN
22.7kN
-60
-40
-20
0
20
40
60
-3000 0 3000 6000 9000
应变/10-6
距中轴距离/mm
6.1kN
11.9kN
18.1kN
24.2kN
33.0kN
42.0kN
51.1kN
60.5kN
-60
-40
-20
0
20
40
60
-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
应变/10-6
荷载/kN
6.1kN
12.1kN
22.2kN
26.2kN
32.2kN
41.1kN
0
10
20
30
40
50
60
70
-2000 0 2000 4000 6000 8000
应变/10-6
荷载/kN
CS1-1
CS1-12
CS3-1
CS3-12
S4-1
S4-12
S5-1
S5-12
S6-1
S6-12
S7-1
S7-12
0
10
20
30
40
50
-4000 0 4000 8000 12000 16000
应变/10-6
荷载/kN
CS1-1
CS1-12
CS3-1
CS3-12
S5-1
S5-12
S8-1
S8-13
S8-12
S9-1
S9-13
S9-11
S9-12
S4-S7 S5、S8、S9

28. 竹材加固预制空心板的试验研究—小结
Summary
 粘贴竹板加固预制空心板可显著提高其承载力。未加固和粘贴适
量竹板加固预制空心板发生弯曲破坏，但当竹板宽度和厚度较大
时发生剪切破坏。
 粘贴竹板加固后开裂荷载平均提高41%，极限荷载平均提高123%
。加固试件开裂荷载和极限荷载均随竹板的厚度和宽度增加而增
大。
 粘贴竹板加固后跨中挠度达到允许挠度时的荷载P[ω]平均增加35%
，对提高正常使用极限状态下性能有明显有利作用。
 对比试件和加固试件跨中截面应变随荷载增加仍基本符合平截面
假定；随着竹板宽度和厚度增加，相同荷载作用下加固试件受拉
边缘中心竹板拉应变和受压边缘中心混凝土压应变均有所降低。
跨中截面板顶和板底在加载过程中沿宽度方向均匀受力。

29. 4. 展望
4. Future prospect
 进行竹材加固我国量大面广的砌体结构的试验研究和专利技术研
发，目前正在进行中。
 进行竹材与混凝土、木材和砌体粘结锚固性能的研究，为数值分
析提供可靠依据。
 进行竹材加固构件长期性能和耐久性能的研究，提出相应的设计
方法和计算分析要点。
 进行加固竹材防火、防腐、防虫、吸水膨胀和可靠度等问题的深
入研究。
 进行竹材加固既有建筑的试点应用，并进行推广。

30. 参考文献
References
1. 陈溪, 许清风, Kent Harries. 竹材在土木工程中应用的研究进展[J]. 结构工程师录用
2. 许清风, 陈建飞, 李向民. 粘贴竹片加固木梁的研究[J]. 四川大学学报（工程科学版），
2012,44(1):36-42. F5000提名论文
3. 李向民. 粘贴竹板抗弯加固木梁的试验研究[J]. 建筑结构，2013,43(6):95-98.
4. 李向民, 许清风, 张富文. 粘贴竹板与木材粘结性能的试验研究[J]. 施工技术，
2013,42(16):1-4.
5. 朱雷, 许清风, 陈建飞. 粘贴竹片加固混凝土梁的试验研究[J]. 结构工程师，
2012,28(3):144-149.
6. 朱雷, 许清风, 张富文. 粘贴竹板加固钢筋混凝土梁的试验研究与分析[J]. 中南大学学报
（自然科学版）, 2015,46(9).
7. 许清风, 李向民, 陈建飞, 等. 粘贴竹板加固预应力混凝土空心板的试验研究[J]. 东南大
学学报（自然科学版），2013,43(3):559-564.
8. Jennifer Gottron, Kent Harries, Qingfeng Xu. Creep Behavior of Bamboo[J]. Construction
and Building Materials, 2014,66:79-88.
9. Qingfeng Xu, Kent Harries, Xiangmin Li, et al. Mechanical properties of structural bamboo
following immersion in water[J]. Engineering Structures, 2014,81:230-239.

31. 谢谢各位！
Thank you for your patience!