五、從竹篾編織到裝配式路面基層預(yù)制塊的演變

郭 高? 郭子碩? 戰(zhàn)宏宇? 遲文仲

(長(zhǎng)春市政院、哈工大）

【摘要】本文通過(guò)研究竹篾編織與編木拱橋結(jié)構(gòu)的共性、構(gòu)件尺寸和搭接方式的結(jié)構(gòu)變化演變過(guò)程，探討編織竹篾與裝配式混凝土預(yù)制塊基層結(jié)構(gòu)的繼承關(guān)系。研究認(rèn)為：編織竹篾的節(jié)點(diǎn)，具有“輸入”及“輸出”端數(shù)量相等、且相互交叉的結(jié)構(gòu)特征；編織竹篾構(gòu)件具有縱橫杠桿、相互交叉支撐的結(jié)構(gòu)關(guān)系；在編織竹篾面上，具有荷載應(yīng)力通過(guò)交叉的經(jīng)緯篾條，以外延及閉合環(huán)繞到達(dá)全面積傳遞荷載路徑的特征；經(jīng)緯篾條剛度和搭接方式及長(zhǎng)度的變化，不會(huì)改變編織面荷載傳遞路徑。因此，當(dāng)編織構(gòu)件長(zhǎng)度與寬度相當(dāng)時(shí)，可稱之為編塊。

探索裝配式基層混凝土預(yù)制塊結(jié)構(gòu)的原理，可增加對(duì)塊體之間傳荷能力及變形協(xié)調(diào)性的認(rèn)知，對(duì)探索該種路基的結(jié)構(gòu)原理和促進(jìn)工程應(yīng)用，有積極意義。

?【關(guān)鍵詞】道路基層；混凝土；裝配式結(jié)構(gòu)；編織竹篾；編塊；杠桿；三點(diǎn)別壓

1? 引言

??? 裝配式基層預(yù)制塊是一種上下面平行、四個(gè)側(cè)面都是斜面的混凝土塊體。目前它已經(jīng)作為路面基層在長(zhǎng)春、哈爾濱、沈陽(yáng)、吉林等多個(gè)城市道路工程中得到大面積推廣應(yīng)用；并具有道路工程壽命長(zhǎng)、施工工期短、減少溫縮裂縫等優(yōu)點(diǎn)。本文追溯分析這種道路基層結(jié)構(gòu)的原型，并分析從原型到裝配式基層預(yù)制塊的演變過(guò)程。

2? 編織結(jié)構(gòu)的基本特性

??? 裝配式基層所使用的預(yù)制塊，稱為編塊，其結(jié)構(gòu)演變過(guò)程有著悠久的歷史。編塊按結(jié)構(gòu)原理劃分屬于編織類型，因此必然保留有編織結(jié)構(gòu)的基本特征。

??? 編織結(jié)構(gòu)最典型的技法是經(jīng)緯法“十字”平編，在編織過(guò)程中，竹絲篾條采用挑壓交織，被挑壓的蔑稱為“經(jīng)”，而編織的蔑為“緯”[1]。經(jīng)緯篾條在平面相互交叉，在豎向上下疊壓形成交點(diǎn)。該交點(diǎn)的上篾條有兩個(gè)輸入端，下篾條有兩個(gè)輸出端，輸入與輸出端相互交叉構(gòu)成一體是編織節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征；篾條與沿線相交篾條形成多個(gè)交叉點(diǎn)，其中篾條段與相交篾條的三個(gè)連續(xù)的交點(diǎn)構(gòu)成等力矩杠桿三點(diǎn)別壓關(guān)系，由此構(gòu)成編織面杠桿結(jié)構(gòu)的豎向穩(wěn)定特征；編織面的經(jīng)緯篾條之間留有空隙，可使編織面生成一個(gè)個(gè)的方形孔[2]。當(dāng)荷載作用在編織面上時(shí)，應(yīng)力在交點(diǎn)處由上篾條傳遞給下篾條，并向兩側(cè)輸出呈“T”字形[3]分級(jí)傳遞。其中，一路應(yīng)力在方形孔周邊外延，由點(diǎn)荷載擴(kuò)散的全面積受力；另一路應(yīng)力沿網(wǎng)孔環(huán)繞使相鄰篾條具有應(yīng)變協(xié)調(diào)性，應(yīng)力的這種傳遞方式使編織面又具有類似板體的受力性能。應(yīng)力路徑圖見(jiàn)圖1所示。

當(dāng)編織結(jié)構(gòu)采用草編及竹編材料時(shí)，細(xì)長(zhǎng)且柔韌，篾條長(zhǎng)度可超過(guò)其直徑的百倍，每根篾條都可組成多段杠桿結(jié)構(gòu)關(guān)系。當(dāng)編織材料換成剛度更大、斷面尺寸更大、且長(zhǎng)度更短的木材時(shí)，編織結(jié)構(gòu)就已經(jīng)發(fā)生了演變。

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?????????????????????? 圖1：編織面荷載傳遞路徑圖

3? 編織構(gòu)件剛度的變化

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? ? ? ? 圖2 閩浙地區(qū)的古代木拱橋???????????? 圖3編木拱橋三點(diǎn)別壓杠桿結(jié)構(gòu)圖

??? 使用木桿編織的橋梁稱為“中國(guó)編木拱橋” [4]，例如《續(xù)資治通鑒長(zhǎng)編》記載“內(nèi)殿承制魏化基言，卞水悍激，多因橋柱壞舟，遂獻(xiàn)無(wú)腳橋式，編木為之”。編木使用的木桿分為縱桿及橫桿，其長(zhǎng)度均為直徑的十?dāng)?shù)倍，剛度比篾條大得多?？v桿受長(zhǎng)度及剛度限制，每根縱桿均以搭接在兩端部及中間位置的橫桿作為支撐點(diǎn)組成一個(gè)杠桿結(jié)構(gòu)----仍符合編織構(gòu)件三點(diǎn)別壓杠桿關(guān)系的特征。編木結(jié)構(gòu)的縱桿自身已經(jīng)演變成節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的輸入端是搭接在縱桿中部的橫桿接觸面，節(jié)點(diǎn)的輸出端是縱桿兩端部的接觸面，仍然保持每一編織節(jié)點(diǎn)輸入端和輸出端、各有兩個(gè)且相互交叉成一體的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

? 編織竹（草）蔑與編木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)區(qū)別是：編織由經(jīng)緯篾條交叉疊壓組成節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)靠經(jīng)緯篾條在交點(diǎn)處的摩擦面連接，節(jié)點(diǎn)之間由篾條連接；編木拱橋以木桿作為節(jié)點(diǎn)，輸入與輸出端為木桿自身結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)木桿兩端部及中間位置與橫桿交點(diǎn)處的接觸面?zhèn)鬟f應(yīng)力。

?? ?編木拱橋的拱圈立面由多根縱桿組成，相鄰縱桿相互以對(duì)方縱桿的中間支承點(diǎn)，作為自己端部的支撐點(diǎn)，各支撐點(diǎn)均以橫桿作為支撐。縱桿與橫桿構(gòu)成三點(diǎn)別壓杠桿關(guān)系，由于木桿直徑大、剛度大，因此縱橫桿交叉互別、還使縱桿之間形成折線，拱圈即由多段折線組成，以較短的構(gòu)件形成較大的跨度和拱圈高度，并將拱橋的垂直荷載沿著拱架縱向木桿逐次傳遞至兩側(cè)橋臺(tái)基座上。

?? 編木拱橋的立面應(yīng)至少有兩個(gè)拱圈，各拱圈按復(fù)制的方式在橋的橫向平行分布。拱圈之間使用橫桿連接并承擔(dān)杠桿支撐點(diǎn)的作用，橫桿不傳遞軸向力，因此拱橋縱向與橫向結(jié)構(gòu)不能互換，類似于簡(jiǎn)支梁。由于編木拱橋的橫桿不具有杠桿結(jié)構(gòu)特征，因此編木拱橋?qū)儆诓粚?duì)稱的編織結(jié)構(gòu)。

?? 全對(duì)稱的編木結(jié)構(gòu)則是編木穹頂（參見(jiàn)圖4），使用25根木桿可編成有5X5節(jié)點(diǎn)和4X4網(wǎng)孔構(gòu)成的穹頂狀結(jié)構(gòu)。穹頂?shù)目v（橫）向桿以橫（縱）向桿為支點(diǎn)構(gòu)成三點(diǎn)別壓杠桿結(jié)構(gòu)，前后相連的縱（橫）桿共同使用端部的橫（縱）桿作為支撐。編木穹頂?shù)木幙椕媾c穹頂，均為縱向與橫向杠桿在平面相互交叉支撐組成的結(jié)構(gòu)，縱、橫桿結(jié)構(gòu)方式及作用相同，穹頂不但具有編織面的平面對(duì)稱性，同時(shí)還保留拱圈的折線拱架特征（參見(jiàn)圖5）。編木穹頂具有與編織相同的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征、縱橫杠桿交叉穩(wěn)定關(guān)系及荷載傳遞路徑，由此可知編織構(gòu)件剛度的變化，不改變編織類杠桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定關(guān)系。

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? ? ? ? ? 圖4編木穹頂俯視平面圖????????????? 圖5編木穹頂平面立面透視圖

4 編織構(gòu)件接觸方式的變化

?? 如果將編木穹頂?shù)墓?jié)點(diǎn)（木桿）兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，其上、下搭接關(guān)系改變?yōu)槠罂谝Ш戏绞?，即使縱、橫木桿之間均改為以企口連接，則仍可保留編織面節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特征、縱橫杠桿交叉穩(wěn)定關(guān)系及荷載傳遞路徑；區(qū)別在于企口結(jié)構(gòu)將木桿上下搭接的顯性關(guān)系隱含在了木桿的斷面內(nèi)，使折線式編木拱圈變成與編織竹篾一樣的平面。也可其稱為“平穹頂”（參見(jiàn)圖6）。由于是半企口，一個(gè)企口上部凸出，另一個(gè)企口是下部凸出，因此企口有活動(dòng)空間。而全企口，中間部分凸出或凹陷相互緊密結(jié)合，則沒(méi)有活動(dòng)空間。

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???????????????????????? 圖6：企口編木平穹頂示意圖

??? 為提高企口節(jié)點(diǎn)處的抗剪、抗折能力，再將企口修改成斜面，接觸面變成斜面貼合（參見(jiàn)圖7）。由于斜面貼合僅是搭接關(guān)系的變形，因此將編木穹頂木桿的輸入及輸出接觸面改為企口或斜面，編木穹頂?shù)墓叭Ρ阆ё優(yōu)槠矫?。而該平面結(jié)構(gòu)中縱桿之間的交叉結(jié)構(gòu)及方形孔仍然存在。由于“平穹頂”仍然可以保持編織結(jié)構(gòu)特征，由此可證編織結(jié)構(gòu)接觸面樣式的改變，不改變編織節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件形成的縱橫杠桿交叉結(jié)構(gòu)關(guān)系及荷載傳遞路徑。

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????????????????????????? 圖7斜面編木平穹頂示意圖

5? 改變編織構(gòu)件的長(zhǎng)度

?? 當(dāng)將接觸面改成斜面的編木“平穹頂”木桿，將其長(zhǎng)徑比縮短至1:1，則長(zhǎng)木桿可演變成為近似方形的塊體（參見(jiàn)圖8）。

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圖8斜面塊體示意圖

??? 作用在圖8所示塊體頂面的垂直荷載應(yīng)力，仍可利用該塊體斜面?zhèn)鬟f、向二側(cè)分散；每傳遞一次分為一級(jí)，各級(jí)傳遞路徑的方向相差90度。應(yīng)力的傳遞路徑具有分級(jí)擴(kuò)散和閉合環(huán)繞兩個(gè)特性：分級(jí)擴(kuò)散應(yīng)力最終達(dá)到每個(gè)基塊，“覆蓋”基層結(jié)構(gòu)的全面積；閉合環(huán)繞能使塊體之間建立起應(yīng)變的協(xié)調(diào)關(guān)系[5]。

???? 終上所述，即使將編木的構(gòu)件長(zhǎng)度縮短到與寬度相等，圖8所示結(jié)構(gòu)仍然保持編木穹頂?shù)墓?jié)點(diǎn)、構(gòu)件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系、應(yīng)力傳遞路徑等特征。

依據(jù)從編織竹篾到編木拱橋的命名規(guī)則，組成該平面的構(gòu)件可稱之為編塊。至此，編織結(jié)構(gòu)經(jīng)歷提高編織物材料的剛度、改變搭接方式、縮短長(zhǎng)度的三個(gè)步驟，完成從編織、編木到編塊的演變過(guò)程。

6? 裝配式路面基層

?? 利用編塊作為構(gòu)件、按編織方法鋪裝而成的平面，與編織面一樣具有構(gòu)件之間豎向互鎖的穩(wěn)定性，因此適合作為路面基層使用[6]。以編塊為原理模型所設(shè)計(jì)、混凝土預(yù)制產(chǎn)品稱為基塊，該塊體的長(zhǎng)度與寬度相等，外形呈六面體，其中頂面及底面為矩形，四個(gè)側(cè)面均為斜面[7]。塊體以兩個(gè)陽(yáng)斜面作為荷載的輸入端，以兩個(gè)陰斜面作為荷載的輸出端，輸入與輸出端在平面相互交叉[8]。塊體的陽(yáng)斜面和陰斜面在鋪裝時(shí)，面與面之間構(gòu)成垂直和平面的互鎖關(guān)系[9]，稱為三維嵌擠結(jié)構(gòu)[10]。將基塊按側(cè)面貼合的方式裝配（參見(jiàn)圖9）、并在接縫內(nèi)灌填充砂漿后，并在四周使用水泥混凝土封邊，即成為裝配式路面的基層。

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???????????????? 主視圖???????????????????????????????? 斜視圖

?圖9基塊鋪裝示意圖

7? 結(jié)語(yǔ)

（1）編織面的節(jié)點(diǎn)，具有以上篾條和下篾條的兩端作為輸入端及輸出端、且相互交叉的結(jié)構(gòu)特征；編織篾條具有利用三點(diǎn)別壓關(guān)系，構(gòu)成縱橫杠桿交叉支撐穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的特征；編織面具有荷載擴(kuò)散應(yīng)力呈“T”字形[3]分級(jí)傳遞路徑，在方形孔周邊擴(kuò)散呈現(xiàn)出外延與環(huán)繞組合，并最終使應(yīng)力覆蓋編織面所有篾條的傳荷路徑特征。

（2）從編織竹篾到編木拱橋，再到編塊，編織構(gòu)件在長(zhǎng)度、剛度及接觸面樣式的變化，并未改變編織節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、杠桿交叉穩(wěn)定及荷載應(yīng)力傳遞路徑三個(gè)主要特征。因此，編木拱橋和編塊，其結(jié)構(gòu)與編織存在繼承關(guān)系，都可以歸屬于編織類。當(dāng)編織構(gòu)件長(zhǎng)度與寬度相當(dāng)時(shí)，依據(jù)編織、編木的命名規(guī)則，該構(gòu)件可稱為編塊。

（3）編塊是裝配式路面基層預(yù)制塊的原型，其預(yù)制混凝土產(chǎn)品稱為基塊。用基塊鋪裝、并在接縫灌漿和封邊的平面結(jié)構(gòu)，仍然保持著編織結(jié)構(gòu)的性能。對(duì)于裝配式基層結(jié)構(gòu)原理的探索，可增加對(duì)塊體之間接縫傳荷能力、變形協(xié)調(diào)性及整體性的認(rèn)知，對(duì)探索裝配式基層結(jié)構(gòu)原理，促進(jìn)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用有積極意義。

參考文獻(xiàn)：?

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