1.1.5 竹子

竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的生物体，强度高、弹性好、性能稳定，而且密度小(只有0.6~1.2 g/cm3)，被广泛应用于建筑工程。竹子良好的力学性能来自其独特的组织结构，特别是竹壁结构。

从竹壁内可以分辨出多种不同形态结构的细胞，但是从力学角度来考虑，这些细胞可以分为两大类: 第一类是基本组织细胞，在显微镜下呈圆形薄壁结构，起着传递载荷的作用；第二类是以维管束为主体的厚壁细胞，这类细胞被基本组织细胞包围着，起着承载的作用。

从材料的角度来看，竹子是典型具有梯度结构的长纤维增强复合材料，其增强体——维管束的分布是不均匀的，竹青部分或表层系统致密，体内(中部或基体系统)逐渐散开，而其内层(竹黄部分或髓环)变成另一种细密结构，竹子的显微结构如图1-6所示。

图1-6 竹壁结构

相关研究表明，竹子不同部位拉伸强度与维管束体积分数的关系可用纤维增强复合材料的混合定律来解释，如式(1-1)。

压力差维管束体积分数大的地方强度高，因此，径向不同厚度位置由于纤维体积分数不同，导致相应的抗拉强度也呈梯度变化[16~20]。

其他天然材料，如木头等，也表现出类似的梯度分布结构。木材由外向内依次是周皮、韧皮部、形成层、木质部和髓部。树干的基部粗、上部细，呈圆纤维状。树木增粗时由形成层向外分化韧皮部细胞，向内分化为木质部，在横切面上出现一个完整的结构，称为生长轮，也称为年轮。树木的年轮是以圆锥套状一层层的向内增加(以髓为中心)。木材细胞壁是木材年轮结构的物质基础，也是木材具有一定强度的基础。研究表明，木材以髓心为中心，至12~13个生长轮，生长轮的宽度逐渐减少，以后大致一定；而且从髓心到树皮，管胞和木纤维的长度逐渐增长；木材密度也逐渐增加。作为木材年轮结构基础的纤维细胞壁中的纤维分子聚合成束状，称为微纤丝。在微纤丝之间填充着半纤维素和木素，细观结构非常精妙。木材纤维细胞壁的这种精细结构和整体的年轮状结构，使木材具有优异的力学性能[4~5]。