五、从竹篾编织到装配式路面基层预制块的演变

郭 高  郭子硕  战宏宇  迟文仲

(长春市政院、哈工大）

【摘要】本文通过研究竹篾编织与编木拱桥结构的共性、构件尺寸和搭接方式的结构变化演变过程，探讨编织竹篾与装配式混凝土预制块基层结构的继承关系。研究认为：编织竹篾的节点，具有“输入”及“输出”端数量相等、且相互交叉的结构特征；编织竹篾构件具有纵横杠杆、相互交叉支撑的结构关系；在编织竹篾面上，具有荷载应力通过交叉的经纬篾条，以外延及闭合环绕到达全面积传递荷载路径的特征；经纬篾条刚度和搭接方式及长度的变化，不会改变编织面荷载传递路径。因此，当编织构件长度与宽度相当时，可称之为编块。

探索装配式基层混凝土预制块结构的原理，可增加对块体之间传荷能力及变形协调性的认知，对探索该种路基的结构原理和促进工程应用，有积极意义。

 【关键词】道路基层；混凝土；装配式结构；编织竹篾；编块；杠杆；三点别压

1  引言

    装配式基层预制块是一种上下面平行、四个侧面都是斜面的混凝土块体。目前它已经作为路面基层在长春、哈尔滨、沈阳、吉林等多个城市道路工程中得到大面积推广应用；并具有道路工程寿命长、施工工期短、减少温缩裂缝等优点。本文追溯分析这种道路基层结构的原型，并分析从原型到装配式基层预制块的演变过程。

2  编织结构的基本特性

    装配式基层所使用的预制块，称为编块，其结构演变过程有着悠久的历史。编块按结构原理划分属于编织类型，因此必然保留有编织结构的基本特征。

    编织结构最典型的技法是经纬法“十字”平编，在编织过程中，竹丝篾条采用挑压交织，被挑压的蔑称为“经”，而编织的蔑为“纬”[1]。经纬篾条在平面相互交叉，在竖向上下叠压形成交点。该交点的上篾条有两个输入端，下篾条有两个输出端，输入与输出端相互交叉构成一体是编织节点的结构特征；篾条与沿线相交篾条形成多个交叉点，其中篾条段与相交篾条的三个连续的交点构成等力矩杠杆三点别压关系，由此构成编织面杠杆结构的竖向稳定特征；编织面的经纬篾条之间留有空隙，可使编织面生成一个个的方形孔[2]。当荷载作用在编织面上时，应力在交点处由上篾条传递给下篾条，并向两侧输出呈“T”字形[3]分级传递。其中，一路应力在方形孔周边外延，由点荷载扩散的全面积受力；另一路应力沿网孔环绕使相邻篾条具有应变协调性，应力的这种传递方式使编织面又具有类似板体的受力性能。应力路径图见图1所示。

当编织结构采用草编及竹编材料时，细长且柔韧，篾条长度可超过其直径的百倍，每根篾条都可组成多段杠杆结构关系。当编织材料换成刚度更大、断面尺寸更大、且长度更短的木材时，编织结构就已经发生了演变。

 

 

                       图1：编织面荷载传递路径图

3  编织构件刚度的变化

           

        图2 闽浙地区的古代木拱桥             图3编木拱桥三点别压杠杆结构图

    使用木杆编织的桥梁称为“中国编木拱桥” [4]，例如《续资治通鉴长编》记载“内殿承制魏化基言，卞水悍激，多因桥柱坏舟，遂献无脚桥式，编木为之”。编木使用的木杆分为纵杆及横杆，其长度均为直径的十数倍，刚度比篾条大得多。纵杆受长度及刚度限制，每根纵杆均以搭接在两端部及中间位置的横杆作为支撑点组成一个杠杆结构----仍符合编织构件三点别压杠杆关系的特征。编木结构的纵杆自身已经演变成节点，节点的输入端是搭接在纵杆中部的横杆接触面，节点的输出端是纵杆两端部的接触面，仍然保持每一编织节点输入端和输出端、各有两个且相互交叉成一体的结构关系。

  编织竹（草）蔑与编木结构的节点区别是：编织由经纬篾条交叉叠压组成节点，节点内靠经纬篾条在交点处的摩擦面连接，节点之间由篾条连接；编木拱桥以木杆作为节点，输入与输出端为木杆自身结构，节点之间通过木杆两端部及中间位置与横杆交点处的接触面传递应力。

    编木拱桥的拱圈立面由多根纵杆组成，相邻纵杆相互以对方纵杆的中间支承点，作为自己端部的支撑点，各支撑点均以横杆作为支撑。纵杆与横杆构成三点别压杠杆关系，由于木杆直径大、刚度大，因此纵横杆交叉互别、还使纵杆之间形成折线，拱圈即由多段折线组成，以较短的构件形成较大的跨度和拱圈高度，并将拱桥的垂直荷载沿着拱架纵向木杆逐次传递至两侧桥台基座上。

   编木拱桥的立面应至少有两个拱圈，各拱圈按复制的方式在桥的横向平行分布。拱圈之间使用横杆连接并承担杠杆支撑点的作用，横杆不传递轴向力，因此拱桥纵向与横向结构不能互换，类似于简支梁。由于编木拱桥的横杆不具有杠杆结构特征，因此编木拱桥属于不对称的编织结构。

   全对称的编木结构则是编木穹顶（参见图4），使用25根木杆可编成有5X5节点和4X4网孔构成的穹顶状结构。穹顶的纵（横）向杆以横（纵）向杆为支点构成三点别压杠杆结构，前后相连的纵（横）杆共同使用端部的横（纵）杆作为支撑。编木穹顶的编织面与穹顶，均为纵向与横向杠杆在平面相互交叉支撑组成的结构，纵、横杆结构方式及作用相同，穹顶不但具有编织面的平面对称性，同时还保留拱圈的折线拱架特征（参见图5）。编木穹顶具有与编织相同的节点结构特征、纵横杠杆交叉稳定关系及荷载传递路径，由此可知编织构件刚度的变化，不改变编织类杠杆结构稳定关系。

               

          图4编木穹顶俯视平面图              图5编木穹顶平面立面透视图

4 编织构件接触方式的变化

   如果将编木穹顶的节点（木杆）两个输入端和两个输出端，其上、下搭接关系改变为企口咬合方式，即使纵、横木杆之间均改为以企口连接，则仍可保留编织面节点结构的特征、纵横杠杆交叉稳定关系及荷载传递路径；区别在于企口结构将木杆上下搭接的显性关系隐含在了木杆的断面内，使折线式编木拱圈变成与编织竹篾一样的平面。也可其称为“平穹顶”（参见图6）。由于是半企口，一个企口上部凸出，另一个企口是下部凸出，因此企口有活动空间。而全企口，中间部分凸出或凹陷相互紧密结合，则没有活动空间。

               

                         图6：企口编木平穹顶示意图

    为提高企口节点处的抗剪、抗折能力，再将企口修改成斜面，接触面变成斜面贴合（参见图7）。由于斜面贴合仅是搭接关系的变形，因此将编木穹顶木杆的输入及输出接触面改为企口或斜面，编木穹顶的拱圈便消失变为平面。而该平面结构中纵杆之间的交叉结构及方形孔仍然存在。由于“平穹顶”仍然可以保持编织结构特征，由此可证编织结构接触面样式的改变，不改变编织节点及构件形成的纵横杠杆交叉结构关系及荷载传递路径。

            

                          图7斜面编木平穹顶示意图

5  改变编织构件的长度

   当将接触面改成斜面的编木“平穹顶”木杆，将其长径比缩短至1:1，则长木杆可演变成为近似方形的块体（参见图8）。

            

图8斜面块体示意图

    作用在图8所示块体顶面的垂直荷载应力，仍可利用该块体斜面传递、向二侧分散；每传递一次分为一级，各级传递路径的方向相差90度。应力的传递路径具有分级扩散和闭合环绕两个特性：分级扩散应力最终达到每个基块，“覆盖”基层结构的全面积；闭合环绕能使块体之间建立起应变的协调关系[5]。

     终上所述，即使将编木的构件长度缩短到与宽度相等，图8所示结构仍然保持编木穹顶的节点、构件之间的结构关系、应力传递路径等特征。

依据从编织竹篾到编木拱桥的命名规则，组成该平面的构件可称之为编块。至此，编织结构经历提高编织物材料的刚度、改变搭接方式、缩短长度的三个步骤，完成从编织、编木到编块的演变过程。

6  装配式路面基层

   利用编块作为构件、按编织方法铺装而成的平面，与编织面一样具有构件之间竖向互锁的稳定性，因此适合作为路面基层使用[6]。以编块为原理模型所设计、混凝土预制产品称为基块，该块体的长度与宽度相等，外形呈六面体，其中顶面及底面为矩形，四个侧面均为斜面[7]。块体以两个阳斜面作为荷载的输入端，以两个阴斜面作为荷载的输出端，输入与输出端在平面相互交叉[8]。块体的阳斜面和阴斜面在铺装时，面与面之间构成垂直和平面的互锁关系[9]，称为三维嵌挤结构[10]。将基块按侧面贴合的方式装配（参见图9）、并在接缝内灌填充砂浆后，并在四周使用水泥混凝土封边，即成为装配式路面的基层。

        

                 主视图                                 斜视图

 图9基块铺装示意图

7  结语

（1）编织面的节点，具有以上篾条和下篾条的两端作为输入端及输出端、且相互交叉的结构特征；编织篾条具有利用三点别压关系，构成纵横杠杆交叉支撑稳定结构的特征；编织面具有荷载扩散应力呈“T”字形[3]分级传递路径，在方形孔周边扩散呈现出外延与环绕组合，并最终使应力覆盖编织面所有篾条的传荷路径特征。

（2）从编织竹篾到编木拱桥，再到编块，编织构件在长度、刚度及接触面样式的变化，并未改变编织节点结构、杠杆交叉稳定及荷载应力传递路径三个主要特征。因此，编木拱桥和编块，其结构与编织存在继承关系，都可以归属于编织类。当编织构件长度与宽度相当时，依据编织、编木的命名规则，该构件可称为编块。

（3）编块是装配式路面基层预制块的原型，其预制混凝土产品称为基块。用基块铺装、并在接缝灌浆和封边的平面结构，仍然保持着编织结构的性能。对于装配式基层结构原理的探索，可增加对块体之间接缝传荷能力、变形协调性及整体性的认知，对探索装配式基层结构原理，促进技术发展与应用有积极意义。

参考文献： 

[1]刘文思. 民间传统竹编包装设计研究[D].湖北工业大学,2020.

[2]马毓蔓. 马陆篾竹编织工艺及传承研究[D].北京理工大学,2016.

[3]王景鹏,王源琳,黄百花,郭高.嵌挤式道路砌块结构受力分析[J].市政技术,2015,33(06):21-23.

[4]刘建新. 闽浙木拱桥受力行为研究[D].福州大学,2011.

[5]郭高，战宏宇等.沥青路面装配式预制混凝土块基层结构类型的探源[J].建筑砌块与砌块建筑，2021,1(214):22-24.

[6]吉J2018-041装配式路面基层构造[S]. 长春：吉林人民出版社，吉林省住房和城乡建设厅，2018,5,21.

[7]DB22/JT135-2015预制装配式道路基层工程技术规程[S].长春，吉林人民出版社，2015.

[8]郭高,马淑勋,徐俭,赵健淳.混凝土砌块组装式道路结构探索[J].科技与企   业,2013(11):198.

[9]郭高, 战宏宇. 三维嵌挤装配混凝土预制块在道路工程的应用[J]. 建筑砌块与砌块建筑, 2019(1):9-14.

[10]郭高,徐俭,赵健淳.嵌挤组装式混凝土砌块道路基层的结构外形及嵌挤度[J].市政技术,2014,32(02):34-36.