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。隨著國民經濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對物質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，我們由此產生了研究戶外竹欄桿的想法。本文對竹欄桿的生產現(xiàn)狀、結構、材質、加工工藝和未來的發(fā)展方向進行了介紹。 1 竹欄桿材質性能研究 1.1 材質的優(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，這是由于其外密內疏的微觀結構特征引起的。竹子從內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層呈降低趨勢 。 1.3 材質的其它性能 1.3.1 蟲蛀 竹子薄壁細胞里含有多種營養(yǎng)物質，易遭蟲蛀，這將嚴重影響竹子的產量和質量，造成重大的經濟損失。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 竹欄桿材質處理技術研究 竹材與木材比較，它含有糖類、蛋白質及淀粉等多種有機物質，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，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，可引起竹材內部進行共振吸收，使蟲菌致死。 2.1.4 氣調 調節(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，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 竹欄桿的分類調查 3.1 按使用場合分類 3.1.1 戶內竹欄桿戶內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，整體強調秩序性，采用平行排列的方式，多數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