南京林業(yè)大學大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（2017NJFUSPITP129）欄桿，古代中國稱闌干，也稱勾闌，作為建筑附屬設施，除了具有安全圍護、分割導向功能外，還具備裝飾裝修功能。古往今來，欄桿是人們生活不可或缺的部分。隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對物質(zhì)生活和精神世界提出了更高的要求。戶外的石制欄桿千篇一律，易造成人們的視覺疲勞，為了追求城市生活的發(fā)展和美好生活的新模式，消除人們的視覺疲勞，我們由此產(chǎn)生了研究戶外竹欄桿的想法。本文對竹欄桿的生產(chǎn)現(xiàn)狀、結構、材質(zhì)、加工工藝和未來的發(fā)展方向進行了介紹。 1 竹欄桿材質(zhì)性能研究 1.1 材質(zhì)的優(yōu)點與缺點 竹類植物是地球上生長速度最快、繁殖最容易、成熟期最短的木本植物，是人類的環(huán)境友好材料，它具有一次造林成功，就可年年擇伐、永續(xù)利用而不破壞生態(tài)環(huán)境的特點。竹材圓筒結構是天然形成的奇妙結構，這種結構符合材料力學中的等強度設計原理，竹子韌性好，強重比高，薄壁中空的管狀結構，使其具有良好的力學性能。竹材是作為欄桿的優(yōu)選材料之一。 竹材是一種典型的單向長纖維增強的生物復合材料，經(jīng)過億萬年的演化形成了如今的“節(jié)間+節(jié)部”的優(yōu)良結構，其中節(jié)子的存在對于竹抵抗風雪等引起的彎曲劈裂起著至關重要的作用。竹節(jié)由稈環(huán)、籜環(huán)、節(jié)隔、節(jié)隔上沿四部分組成，節(jié)間維管束通過竹節(jié)時都有不同程度的彎曲，大多數(shù)軸向主維管束直接穿過節(jié)部，而有一部分卻改變了方向。竹節(jié)的密度稍大于其相鄰節(jié)間材的密度。通過使用雙懸臂梁（DCB）法測試毛竹材節(jié)間材與含節(jié)材的型層間斷裂韌性，表明竹節(jié)的存在對阻礙竹材發(fā)生層間斷裂起很大貢獻作用 。 竹材最明顯的缺陷就是竹材既吸水，又易干裂，竹材吸水后，不僅引起形變，還會霉變和腐朽，使強度和使用壽命降低。除此之外，易劈裂也是竹材不可忽視的問題。新鮮竹材在加工過程中，最易出現(xiàn)的問題是劈裂。竹材的抗劈性是指竹材抗拒被具有楔作用的工具而劈開的特性，抗劈力是由最初產(chǎn)生劈裂所需的外力及其后劈開木材所需的外力來決定的。竹材的抗劈力從一定意義上講是衡量其內(nèi)部橫向抗拉應力的指標。由于防裂試劑的充脹作用，處理材的抗劈力小于未處理材的抗劈力，只有固化后的V-3、4兩酚醛樹脂處理材的抗劈力大于未處理材 。值得注意的是，抗劈力的大小對圓竹的干裂性影響較小，不能作為衡量圓竹是否易開裂的指標。 1.2 竹材的力學性能 竹材的抗彎強度相差較大，而抗壓和抗剪強度相差不大 。竹材具有優(yōu)良的順紋彎曲性，當對竹材施加一定外力的時候，竹材會發(fā)生一定的彎曲變形，撤銷外力，竹材又會恢復原形。基于這樣的特性，Pankaj R. Mali研究了竹材替代鋼筋對混凝土板抗彎性的影響，發(fā)現(xiàn)對變形方面有一定改進作用 。冼克娟等對竹材做了微觀結構與力學性能的關系研究，結果發(fā)現(xiàn)，纖維厚壁細胞沿軸向排列整齊，對竹材的力學性能貢獻最大，使竹材具有高強度和剛度 。R.F.Buson用化學藥劑對表面進行處理，研究了竹纖維作為符合增強材料的輕量化和耐久性 。竹材的纖維組織細密、纖維層厚、纖維密度大，竹材具有良好的彈性，這是由其自身的組織結構決定的。竹材的抗彎性能變化范圍較大，這是由于其外密內(nèi)疏的微觀結構特征引起的。竹子從內(nèi)到外的纖維含量逐漸減少，導致力學性能呈梯度變化。同時，斷裂模式也相應發(fā)生變化。竹片拉伸強度和彈性模量從外層到內(nèi)層呈降低趨勢 。 1.3 材質(zhì)的其它性能 1.3.1 蟲蛀 竹子薄壁細胞里含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，易遭蟲蛀，這將嚴重影響竹子的產(chǎn)量和質(zhì)量，造成重大的經(jīng)濟損失。竹欄桿在使用過程中，不可避免地會出現(xiàn)被蟲蛀的問題，唯一的解決辦法是提前對其進行處理。 1.3.2 腐朽與霉變 在潮濕條件下，竹制品還容易產(chǎn)生發(fā)黑、腐朽、霉變等一系列問題 。圓竹的腐朽發(fā)黑主要是由于褐腐菌腐朽竹材所引起的。褐腐六周后，竹材細胞壁出現(xiàn)許多孔洞。十二周后竹材已經(jīng)喪失其原有結構，出現(xiàn)纖絲狀，稍用力便破碎。此時竹材薄壁細胞壁幾乎被降解殆盡，細胞橫隔壁也出現(xiàn)許多孔洞。 白腐菌對竹材侵蝕過程與褐腐菌基本相似，只是竹材對白腐菌的耐腐力強于褐腐菌。在白腐菌腐朽十二周后，薄壁細胞壁孔洞才會進一步擴大和增多，與導管相鄰近的篩管和旁管腐朽嚴重，細胞壁幾乎完全被破壞。此外，能夠生長在竹材上的微生物還包括真菌和細菌，真菌的孢子和細菌的細胞相當于高等植物的種子，可由風、水、昆蟲或人為因素等傳播到竹材上，孢子落到竹材上后，在適宜的條件下就會萌發(fā)形成菌絲或分裂繁殖，從而使木質(zhì)有機體分解或解體，此外，真菌類還會使竹材出現(xiàn)長蘑菇的現(xiàn)象。 2 竹欄桿材質(zhì)處理技術研究 竹材與木材比較，它含有糖類、蛋白質(zhì)及淀粉等多種有機物質(zhì)，這給竹材的防腐、防蛀等措施帶來了很大的難度。從而使竹材的使用范圍受到一些限制。因此，為了妥善解決其帶來的問題，現(xiàn)代竹欄桿的技術工藝要求比木材更高。其中，最重要的環(huán)節(jié)是對竹材進行干燥。 為了使竹欄桿使用壽命更長，在加工過程中可使用物理和化學的方法對其進行處理，使其具有更好的防腐性能 。 2.1 常見處理方法 2.1.1 浸漬 將竹材浸沒于清水中，溶出部分水溶性營養(yǎng)物質(zhì)，并使細胞充滿自由水，造成缺氧環(huán)境，以預防和消除蟲菌危害。 2.1.2 干燥 將竹材烘干或曬干。經(jīng)烘曬過程，一方面可因加熱殺死蟲菌，另一方面又可因水分減少致蟲菌難以生存。 2.1.3 電磁波輻射 用遠紅外線、微波照射，可引起竹材內(nèi)部進行共振吸收，使蟲菌致死。 2.1.4 氣調(diào) 調(diào)節(jié)竹材貯存環(huán)境的氣體組成，降低氧氣含量，造成缺氧狀態(tài)，使真菌不能生長，蛀蟲窒息而死。 2.1.5 蒸煮 將竹材加熱蒸煮，除去部分可溶性物質(zhì)，殺死蟲菌。 2.1.6 表面涂刷和加壓浸漬處理 所用防腐劑為有機溶劑防腐劑和水溶性防腐劑。適用于較小標準材的處理，在涂刷前要充分干燥，涂刷次數(shù)越多，防腐效果越好，但必須要待前一次涂刷干燥后再進行下一次涂刷，才能達到較好的效果。涂刷只能在表層浸漬一部分的防腐劑，如果要求處理效果好的話，需進行加壓浸漬處理或先抽真空后加壓的高效處理。 3 竹欄桿的分類調(diào)查 3.1 按使用場合分類 3.1.1 戶內(nèi)竹欄桿戶內(nèi)欄桿主要承擔安全保護及裝飾的作用，由于居住者講究室內(nèi)美學性，所以對欄桿的裝飾要求會更高。不同風格的裝修對竹欄桿的材質(zhì)樣式要求不同。 3.1.2 戶外竹欄桿戶外竹欄桿，一般用于旅游景區(qū)、城市公園、住宅小區(qū)、廣場、停車場、菜園等地方，或者出現(xiàn)在道路旁起隔離作用。 3.2 按材料形式分類 3.2.1 竹片形式竹欄桿竹片形式竹欄桿，傳統(tǒng)方法主要采用鐵絲或棕繩將把每塊竹片纏繞連接而成豎直竹排，將竹片與地面形成45°～60°傾角，再交叉固定形成竹編，綁扎是原竹建筑最原始、最基本的結構性節(jié)點連接方式。這種節(jié)點構造的基本受力原理為利用節(jié)點處的摩擦力抵抗各種外力。傳統(tǒng)的竹片沒有經(jīng)過工藝處理，只能起到臨時支撐作用。竹片直接插于地面，由于易腐朽大大縮短了欄桿的使用壽命 （如圖1）。 圖 圖1 1 竹片形式竹欄桿圖 圖1 1 竹片形式竹欄桿圖 圖1 1 竹片形式竹欄桿3.2.2 全竹體形式竹欄桿全竹體形式欄桿，整體強調(diào)秩序性，采用平行排列的方式，多數(shù)借助輔助物將單一圓竹連接成整體，原始做法中，采用榫接+綁扎方式，在竹柱的端部采用竹釘連接，再利用鐵絲或棕繩，將單體整體串聯(lián)起來。構件節(jié)點處采用鋼材、螺栓、混凝土、金屬預制件等輔助連接件。竹片形式與全竹體形式竹欄桿，二者的排列方式有平行排列和交叉排列（如圖2）。 圖 圖2 2 全竹體形式竹欄桿圖 圖2 2