小竹橋何以撐得起大卡車？
12月12日，湖南省耒陽(yáng)市導(dǎo)子鄉(xiāng)上潯村，橫跨潯江河的一座現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)橋梁引起了土木建筑專家和媒體的廣泛關(guān)注。隨著一臺(tái)總重8.6噸的卡車安全駛過橋面，湖南大學(xué)土木工程學(xué)院院長(zhǎng)、長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、美國(guó)南加州大學(xué)終身教授肖巖宣布，“竹結(jié)構(gòu)橋梁在車輛荷載作用下，主跨變形不到4毫米，完全符合現(xiàn)行橋梁規(guī)范的要求”，竹橋整橋荷載試驗(yàn)宣告成功，可以正式通車投入使用。
為什么這座竹橋能夠承受8.6噸重的卡車？與鋼結(jié)構(gòu)橋梁和混凝土結(jié)構(gòu)橋梁相比，竹結(jié)構(gòu)橋有什么特點(diǎn)？它的應(yīng)用前景如何呢？記者電話采訪了這座橋梁的湖南大學(xué)現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)課題組負(fù)責(zé)人肖巖教授和課題組成員單波博士。
現(xiàn)代竹橋
中國(guó)人用竹子來(lái)制造家具、日用品的歷史已經(jīng)有幾千年，也使用原竹建造過便橋。然而，人類依據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論和試驗(yàn)方法采用竹子來(lái)建造能承重8噸卡車的橋梁還是**次。這座已建成的竹結(jié)構(gòu)橋梁橋面寬3.4米，跨度達(dá)到10米，采用預(yù)制混凝土板作為橋面板，并設(shè)有欄桿。從外觀上看，竹結(jié)構(gòu)橋梁與普通的鋼筋混凝土橋梁沒有顯著差別，但從橋底觀察，就可發(fā)現(xiàn)其中奧秘，用于承重的9根大梁全部是竹材梁，竹梁之間的橫隔板也是竹材，全部采用螺栓連接。
專家解疑:
以竹建橋?yàn)榱松叮?/P>
肖巖教授曾經(jīng)在美國(guó)做過幾個(gè)比較大的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)研究項(xiàng)目。美國(guó)木結(jié)構(gòu)用量很大，占每年建筑面積的30%%，主要用于建造低層別墅和三、四層高的公寓、辦公樓和大型商業(yè)中心等。2001年，肖巖成為湖南大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。在中國(guó)，由于木材資源的匱乏，木結(jié)構(gòu)建筑極少，我國(guó)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)研究開展很少。在我國(guó)南方，特別是湖南，竹資源很豐富，并且竹加工工業(yè)也具有一定規(guī)模，但竹產(chǎn)品技術(shù)含量不高，經(jīng)濟(jì)效益很低，沒有作為主要的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。竹材與木材同為有機(jī)材料，力學(xué)性能相似，經(jīng)過調(diào)研和初步試驗(yàn)，他確立了“以竹代木”的基本設(shè)計(jì)思路。“整個(gè)中南地區(qū)的竹資源都比較豐富，如果能以竹子為材料做一些事，對(duì)地方經(jīng)濟(jì)、對(duì)新農(nóng)村建設(shè)都有好處?！毙r說。
今年年底，課題組建成了世界上**座小型的竹結(jié)構(gòu)人行天橋并投入使用。媒體報(bào)道以后，湖南省耒陽(yáng)市農(nóng)村綜合開發(fā)辦聯(lián)系到他，希望用竹結(jié)構(gòu)改建一個(gè)跨小河的鄉(xiāng)村橋梁。
潯江河上原有的那座石頭橋有50多年的歷史，石頭橋只有1.5米寬，橋面主要由兩塊大石頭搭建起來(lái)，橋面較窄，橋上又沒有護(hù)欄，村民特別是老人、小孩過橋時(shí)很不安，也不能通車。而現(xiàn)在新建的這座橋梁，可以通過拖拉機(jī)、收割機(jī)等車輛。
細(xì)竹緣何有如此巨大的承受力？
細(xì)長(zhǎng)的竹子何以擁有如此巨大的承載能力？其實(shí)這是將竹子經(jīng)過一些現(xiàn)代技術(shù)制成膠合竹板，然后采用連接技術(shù)將短板支持長(zhǎng)梁，再根據(jù)需要，與其他高性能材料復(fù)合等方式綜合實(shí)現(xiàn)的。
肖巖說，這座現(xiàn)代竹橋是基于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、現(xiàn)代加工技術(shù)、現(xiàn)代力學(xué)、現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)學(xué)、現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)程序來(lái)開發(fā)出的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)，一定要強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)代”兩個(gè)字，以區(qū)別于以往的采用原竹材的其他竹結(jié)構(gòu)。
由于竹橋采用了竹膠合技術(shù)，沒有用原竹，所以表面上看不到竹子。肖巖介紹說，原始的竹子狀態(tài)里面是空心的圓筒狀，材料性能差異大，比較難加工，要找到同樣的竹子也不容易，材料利用率低。另外，原竹不容易連接，構(gòu)件的尺寸受竹子長(zhǎng)度的限制，不太可能作為主要的結(jié)構(gòu)材料大規(guī)模使用。于是課題組以膠合竹為原材料發(fā)展了一種新技術(shù)，即先把竹子劈成片，再壓制成型，并按設(shè)計(jì)做成所需的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這樣制造的構(gòu)件看起來(lái)不像竹子，更像木材構(gòu)件。
那么這座現(xiàn)代竹橋**能承重多少？肖巖說，這座竹橋是根據(jù)使用方提出的跨度10米，需要通行8噸卡車的要求設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)有橋梁規(guī)范，加上一定的安全儲(chǔ)備，通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)把最不利的荷載加上去，看結(jié)構(gòu)破壞時(shí)真正荷載是多少。所以，盡管通行荷載是8噸，但設(shè)計(jì)時(shí)是按照16噸荷載設(shè)計(jì)的，也就是說，即便是通行載重為16噸的卡車，竹橋的變形依然符合現(xiàn)行橋梁規(guī)范的要求，**變形控制在橋面跨度的六百分之一以內(nèi)。
另外，現(xiàn)代竹橋由9根竹梁承重，而課題組預(yù)先做了兩根相同結(jié)構(gòu)的大梁，并對(duì)它們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得每一根梁的破壞荷載是8—10噸。所以，9根梁的竹橋，理想狀態(tài)下要幾十噸的荷載才能壓壞。
此外，為了提高承載力、減小變形，竹梁中還將竹材與碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合。
小竹橋壽命幾何？
“壽命是非常關(guān)鍵的問題，但我們沒有一個(gè)準(zhǔn)確的答復(fù)，一些報(bào)道說20年是不太準(zhǔn)確的。我們還在做進(jìn)一步的科學(xué)研究，包括對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，并采用加速氣候試驗(yàn)和橋梁的疲勞實(shí)驗(yàn)來(lái)研究竹橋的實(shí)際工作年限。只有在對(duì)試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，才能給出準(zhǔn)確的使用年限。不過，在正常使用條件下使用20年，我們還是有這個(gè)自信的?！毙r教授課題組的單波博士說。
竹結(jié)構(gòu)人行橋已經(jīng)投入使用一年多時(shí)間了，還沒有出現(xiàn)需要做結(jié)構(gòu)維修的的跡象。由于在預(yù)先設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了安裝和拆裝的便捷性問題，維修時(shí)可以單獨(dú)拆卸下某個(gè)構(gòu)件，再安裝上新構(gòu)件。即便9個(gè)大梁中有某個(gè)梁出現(xiàn)了問題，也可以單獨(dú)更換。
但是對(duì)于老化問題，單波認(rèn)為在加速氣候?qū)嶒?yàn)結(jié)果出來(lái)以前，沒有辦法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
竹橋的優(yōu)勢(shì)在哪里？
相比于鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的橋，竹橋的優(yōu)勢(shì)在哪里？
肖巖說，首先從“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度除以自重的比值）看，竹結(jié)構(gòu)或木結(jié)構(gòu)的比值都遠(yuǎn)高于鋼和混凝土結(jié)構(gòu)。雖然鋼的強(qiáng)度比竹子高，但是承受相同荷載時(shí)，需要竹材的重量小于鋼材的重量。所以，竹材的優(yōu)勢(shì)在于可以用較小的體積做較大承載力的東西。此外，竹結(jié)構(gòu)輕便，使得施工更加便利，施工時(shí)也無(wú)需搭重型設(shè)備。這座竹橋的現(xiàn)場(chǎng)施工很快，大大快于混凝土橋的工期。8名工人使用工廠預(yù)先加工好的竹構(gòu)件，在沒有使用重型建筑設(shè)備的情況下，僅用了不到10天的時(shí)間就把這座橋的主體結(jié)構(gòu)架設(shè)了起來(lái)。這給當(dāng)?shù)卮迕窳粝铝藰O為深刻的印象。
混凝土和鋼是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料，但不是環(huán)境友好型材料。鋼材和水泥的生產(chǎn)是高污染、高能耗的產(chǎn)物，混凝土中所需的砂子和石子的開采要破壞植被、破壞河床，而且混凝土再生利用也很困難。作為地方資源的竹子，屬于綠色材料。它生長(zhǎng)周期快，3—5年就可以成材使用，成材周期大大快于木材?？撤ズ螅偕芰?qiáng)，不會(huì)破壞耕地。
從造價(jià)方面看，這座現(xiàn)代竹橋的造價(jià)控制在地方政府的預(yù)算內(nèi)。在20—30米的跨度內(nèi)，竹結(jié)構(gòu)橋梁比鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)便宜。與混凝土結(jié)構(gòu)比，竹結(jié)構(gòu)的綜合造價(jià)（包括工期等）也很有競(jìng)爭(zhēng)力。
橋建好后，需要維護(hù)。鋼橋有防腐問題，混凝土橋容易開裂，需要修補(bǔ)裂縫。而肖巖說，建成的一座竹結(jié)構(gòu)人行橋和一座現(xiàn)代竹橋，平時(shí)不需要維護(hù)，而且暫時(shí)也沒有出現(xiàn)需要維修的問題，即使出現(xiàn)問題也可以快速解決，維護(hù)費(fèi)用較低。
竹結(jié)構(gòu)的應(yīng)用咋樣？
現(xiàn)有的竹產(chǎn)品主要集中用在竹地板、竹菜板、竹簾子等產(chǎn)品，沒有用到土木建筑的主市場(chǎng)。用于承重的竹結(jié)構(gòu)技術(shù)，有望開拓竹材利用的新市場(chǎng)、新空間。竹結(jié)構(gòu)橋梁適用于城市人行天橋、高速公路的跨線橋等20—30米跨度以內(nèi)的橋梁，也適用于大跨工業(yè)廠房的屋架和四層以下的建筑。肖巖希望最終能夠把竹材用于建筑結(jié)構(gòu)的主流市場(chǎng)?！八?dāng)然不會(huì)完全取代現(xiàn)有的鋼材和混凝土，但一定領(lǐng)域內(nèi)占到一定的市場(chǎng)份額還是有前景的。完全可以根據(jù)使用者需要設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式?！毙r說。
世界首座可通行車輛的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)橋梁在湖南耒陽(yáng)市導(dǎo)子鄉(xiāng)正式投入使用。12日上午，一臺(tái)總重超過8噸的卡車駛上橋面，完成最后一次整橋荷載試驗(yàn)。 這座竹橋凈寬3．4米、長(zhǎng)10米，由9根竹梁組成，實(shí)際荷載能力達(dá)90噸。從外觀上看，竹結(jié)構(gòu)橋梁與普通的鋼筋混凝土橋梁沒有顯著差別。只有從橋底觀察，才能發(fā)現(xiàn)“奧秘”，不但用于承重的9根大梁全部是竹材，竹梁之間的橫隔板也是竹材，全部采用螺栓連接。
竹橋由湖南大學(xué)土木工程學(xué)院研究建成。據(jù)學(xué)院院長(zhǎng)、長(zhǎng)江學(xué)者肖巖介紹，這座竹結(jié)構(gòu)橋梁采用高性能的纖維增強(qiáng)塑料（FRP）與竹結(jié)構(gòu)復(fù)合，嚴(yán)格按照現(xiàn)代力學(xué)理論建造，橋梁采用整體防水，橋梁的邊梁采用了高性能的防水材料整體包裹，承重梁中都設(shè)有高性能的纖維增強(qiáng)塑料，安全性能已通過各方論證肯定。
竹結(jié)構(gòu)別墅
2007年10月，肖巖課題組開始建造一幢250平方米的兩層單戶別墅的樣板，目前正在封頂階段。從外面看，竹結(jié)構(gòu)別墅與普通的磚石結(jié)構(gòu)房屋沒有什么差別，進(jìn)入內(nèi)部才發(fā)現(xiàn)完全不同，整個(gè)房的柱、梁和墻體全由竹構(gòu)建或竹木組合構(gòu)建，形式新穎簡(jiǎn)潔，墻體為竹木結(jié)構(gòu)保溫墻體，符合建筑節(jié)能的要求。課題組還開發(fā)了竹結(jié)構(gòu)活動(dòng)房。課題組成員介紹，房屋可快速拆除，也可轉(zhuǎn)移地點(diǎn)重新裝配，施工效率極高，適用于作為工地臨時(shí)用房，適當(dāng)進(jìn)行放水處理也可作為較為經(jīng)濟(jì)的永久住宅使用。由于竹結(jié)構(gòu)別墅樣板房的建筑形式和使用功能與北美和歐洲的木結(jié)構(gòu)別墅完全一致，該項(xiàng)目的最終目的是希望向北美和歐洲等非竹產(chǎn)區(qū)成套輸出竹結(jié)構(gòu)別墅，實(shí)現(xiàn)出口創(chuàng)匯。
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