陳玲珠 許清風(fēng),* 王 欣

(1.上海市建筑科學(xué)研究院上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200032; 2.上海理工大學(xué),上海 200093)

0 引 言

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)多采用實(shí)木,但實(shí)木的截面尺寸和長度易受樹木原材料尺寸的限制,所以實(shí)木難以滿足大跨度、大截面等大型承重構(gòu)件的要求。而工程木結(jié)構(gòu)可以解決這一問題,且工程木構(gòu)件可剔除或平均木材原有的缺陷,更合理地利用木材,大大提高木材資源的利用率。王倩[1]、張磊[2]、劉柯珍[3]分別對落葉松、花旗松等膠合木材的基本力學(xué)性能和構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究表明,膠合木的力學(xué)性能明顯優(yōu)于天然木材。

現(xiàn)行木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范要求木結(jié)構(gòu)層數(shù)不超過三層,其中木結(jié)構(gòu)建筑的防火安全性能是限制其高度的最重要因素之一。Lie[4]提出了木梁和木柱耐火極限的簡化計(jì)算方法。許清風(fēng)等[5]進(jìn)行了三面受火木梁耐火極限試驗(yàn),研究表明,三面受火木梁的耐火極限隨持荷水平增加而降低,隨截面尺寸增加而顯著增加;涂抹防火涂料能顯著提高木梁耐火極限。倪照鵬等[6]進(jìn)行了一系列木構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn),研究了木構(gòu)件的耐火性能、破壞模式和耐火極限。試件包括木構(gòu)架墻體、木構(gòu)架樓板與天花板吊頂,以及膠合木梁和木柱。研究表明,木構(gòu)件具有較好的耐火性能,能達(dá)到所要求的耐火極限。張盛東等[7]對14個(gè)東北落葉松實(shí)木試件進(jìn)行了燃燒試驗(yàn),研究了阻燃劑對木材耐火性能的影響。試驗(yàn)表明,阻燃劑對木材耐火性能有一定的改善。Lange等[8]研究了不同升溫曲線對膠合木梁抗火性能的影響,并將試驗(yàn)結(jié)果與歐洲規(guī)范計(jì)算公式進(jìn)行了對比,研究表明,不同升溫曲線對膠合木梁耐火極限有影響,且歐洲規(guī)范計(jì)算公式偏于不安全,并建議標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)時(shí)零強(qiáng)度層厚度改為15 mm。

工信部和住建部聯(lián)合發(fā)布的《促進(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動(dòng)方案》(工信部聯(lián)原〔2015〕309號(hào))中已明確把發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑作為一項(xiàng)重要的行動(dòng)目標(biāo),因而應(yīng)盡快開展木結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究。本文擬進(jìn)行膠合木梁耐火極限的試驗(yàn)研究,為建立膠合木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

選用規(guī)格材樹種為樟子松,試驗(yàn)參數(shù)包括荷載比和截面尺寸。試件統(tǒng)計(jì)表見表1。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)GB/T 1933—2009 《木材密度測定方法》[9]和GB/T 1931—2009 《木材含水率測定方法》[10]的規(guī)定測試木材的密度和含水率。根據(jù)GB/T 1935—2009 《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[11]、GB/T 1938—2009 《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[12]、GB/T 1936.1—2009 《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[13]、GB/T 1936.2—2009 《木材抗彎彈性模量試驗(yàn)方法》[14]的規(guī)定測試木材的順紋抗壓、順紋抗拉、抗彎強(qiáng)度及順紋抗彎彈性模量。

表1膠合木梁試件統(tǒng)計(jì)表

Table 1Summarize of the test specimens

注:#GB-5極限承載力根據(jù)GB-1實(shí)測結(jié)果,及GB-1與GB-5的截面剛度比推算而得

實(shí)測本次試驗(yàn)用木材的氣干密度為445 kg/m3,含水率為14.9%;木材順紋抗壓強(qiáng)度為39.3 MPa,順紋抗拉強(qiáng)度為46.6 MPa,抗彎強(qiáng)度為54.0 MPa,順紋抗彎彈性模量為6 100 MPa。

1.3 試驗(yàn)裝置

本次受火試驗(yàn)在大型水平試驗(yàn)爐中進(jìn)行。將膠合木梁擱置在水平爐爐壁上,兩端簡支,試件全長三面受火,通過反力架和千斤頂采用三分點(diǎn)施加荷載,擱置點(diǎn)間距為3.6 m,試驗(yàn)布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)布置圖(單位：mm)Fig.1 Test setup (Unit：mm)

1.4 測點(diǎn)布置

受火試件分別布置熱電偶和位移計(jì)來監(jiān)測升溫過程中試件內(nèi)部的溫度場分布和試件跨中的位移變化,未受火對比試件在跨中沿截面高度布置應(yīng)變片來測試試件跨中截面應(yīng)變隨荷載增加的變化關(guān)系,熱電偶、位移計(jì)和應(yīng)變片布置如圖2所示。

圖2 熱電偶、位移計(jì)和應(yīng)變片布置圖(單位：mm)Fig.2 Arrangement of thermocouples,LVDT and strain gauges (Unit：mm)

1.5 加載控制

采用50噸千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載,每級(jí)10 kN。為確保試驗(yàn)加載和采集設(shè)備正常運(yùn)行,在正式加載前進(jìn)行預(yù)加載,預(yù)加載值取30 kN。對于未受火對比試件GB-1,分級(jí)加載到試件破壞。對于耐火極限試驗(yàn)試件GB-2～GB-5,加載至設(shè)定持荷水平后,恒定荷載10 min,然后按照ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫,升溫過程中隨時(shí)調(diào)節(jié)千斤頂油泵保證豎向荷載恒定。當(dāng)梁跨中撓度達(dá)到L2/(400d)(式中,L為梁的凈跨度,mm;d為梁截面上抗拉點(diǎn)與抗壓點(diǎn)之間的距離,mm)(即試件GB-2～GB-4達(dá)到108 mm、試件GB-5達(dá)到162 mm)、或梁跨中撓度變化率大于L2/(9 000d) (即試件GB-2～GB-4大于4.8 mm/min、試件GB-5大于7.2 mm/min)、或試件破壞、或有火焰冒出,停止試驗(yàn),試件達(dá)到耐火極限。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對比試件GB-1

對比試件GB-1加載至90 kN時(shí)發(fā)出輕微開裂聲,開裂聲間斷不連續(xù);隨著荷載增大,開裂聲逐漸變大,響聲連續(xù);加載至120 kN時(shí),發(fā)出一聲較大聲響,木梁沿跨中向支座處形成分層裂縫(圖3),試件破壞,破壞時(shí)跨中撓度為64.5 mm。

圖3 對比試件GB-1破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of control specimen GB-1

對比試件GB-1荷載-位移曲線如圖4所示。從圖中可以看出,當(dāng)荷載小于90 kN時(shí),加載過程位移基本呈線性變化;當(dāng)荷載大于90 kN時(shí),荷載和位移呈非線性關(guān)系。

圖4 對比試件GB-1荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve of control specimen GB-1

對比試件GB-1荷載-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 對比試件GB-1荷載-應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curve of control specimen GB-1

從圖5可知,各應(yīng)變均隨荷載的增加而增加,且當(dāng)荷載小于90 kN時(shí),荷載-應(yīng)變曲線基本為一直線;當(dāng)荷載大于90 kN時(shí),荷載和應(yīng)變呈非線性關(guān)系。變化規(guī)律與GB-1荷載-位移曲線一致。

對比試件GB-1跨中截面應(yīng)變分布如圖6所示。從圖6可知,跨中應(yīng)變分布基本符合平截面假定。

圖6 GB-1跨中截面應(yīng)變分布Fig.6 Strain profile at mid-span cross-section of GB-1

2.2 受火試件GB-2～GB-5

2.2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

各試件在點(diǎn)火3 min左右,在試驗(yàn)梁的兩端處開始有白色煙霧冒出;受火5 min時(shí)蓋板接縫處有白色煙霧溢出,并隨著受火時(shí)間的增加越來越濃;隨著受火時(shí)間增加,跨中撓度逐漸增加;在接近耐火極限時(shí),跨中位移急速增加,同時(shí)油壓急速下降且不能持荷,?；?。待爐溫下降,構(gòu)件取出后觀察到,木梁表面沿膠合方向和垂直膠合方向出現(xiàn)很多縱橫裂縫,并且木梁膠合處部分脫開、兩端端部脫開最為明顯。試驗(yàn)照片如圖7所示。

2.2.2溫度分布

為監(jiān)測受火過程中木梁截面溫度場變化情況,在木梁截面不同位置布置熱電偶,熱電偶具體位置如圖2(a)所示。典型木梁受火過程中各深度處溫度變化如圖8所示。

從圖8中可以看出:①各測點(diǎn)溫度隨受火時(shí)間增加而升高,且?；鹬蟛糠譁y點(diǎn)溫度繼續(xù)升高;②測點(diǎn)距截面邊緣越近,相同受火時(shí)間下溫度越高;③在溫度靠近100 ℃時(shí)有一個(gè)平臺(tái),表明木構(gòu)件在升溫至100 ℃時(shí)有水分蒸發(fā),且平臺(tái)長短與其距邊緣距離相關(guān),離邊緣距離較近的測點(diǎn)平臺(tái)較短、而離邊緣較遠(yuǎn)的測點(diǎn)平臺(tái)較長。

試件GB-2～GB-5中熱電偶T1和T4的溫度對比如圖9所示。其中:GB-5中熱電偶T1離邊緣50 mm、GB-2～GB-5中T1離邊緣75 mm;GB-2～GB-5中熱電偶T4均離邊緣25 mm。

圖7 試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Photos of testing

從圖9可知,相同截面尺寸試件相同位置處測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系相差較小。相同受火時(shí)間時(shí),試件GB-5中測點(diǎn)T1溫度稍高于試件GB-2～GB-4中測點(diǎn)T1,而試件GB-5中測點(diǎn)T4溫度與試件GB-2～GB-4中測點(diǎn)T4接近。這主要是因?yàn)樵嚰礼B-5中測點(diǎn)T1距側(cè)面距離比試件GB-2～GB-4中測點(diǎn)T1距側(cè)面距離小,而四個(gè)試件中測點(diǎn)T4距截面邊緣距離相同。

2.2.3耐火極限

根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第1部分:通用要求》(GB/T 9978.1—2008)[15],構(gòu)件耐火極限有三個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn):承載能力、完整性、隔熱性。如果試件的“承載能力”已不符合要求,則將自動(dòng)認(rèn)為試件的“隔熱性”和“完整性”不符合要求。判定試件承載能力的參數(shù)是變形量和變形速率,對于抗彎構(gòu)件,當(dāng)跨中撓度達(dá)到L2/400d(mm)或跨中撓度變形率大于L2/9 000d(mm/min)時(shí)即認(rèn)為試件喪失承載力(其中,L是構(gòu)件跨度,d是截面高度)。

圖8 典型試件截面溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Temperature-time curves of typical specimens

圖9 試件截面溫度對比Fig.9 Comparison of temperature development among different specimens

本次試驗(yàn)?zāi)z合木梁的跨度均為3 600 mm,對于截面為100 mm×200 mm的膠合木梁GB-5:L2/400d= 162 mm、L2/9 000d=7.2 mm/min;對于截面為150 mm× 300 mm的膠合木梁GB-2～GB-4:L2/400d=108 mm、L2/9 000d=4.8 mm/min。

試件跨中撓度隨時(shí)間的變化曲線見圖10。試件跨中撓度變化率隨時(shí)間的變化曲線見圖11。

圖10 跨中撓度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Curves of mid-span deflection with time of specimens

圖11 跨中撓度變化率隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Curves of mid-span deflection rate with time of specimens

從圖10、圖11可知,隨著受火時(shí)間增加,跨中撓度逐漸增加,并且增加越來越快。在試件破壞階段,位移發(fā)生突變,跨中撓度變化率超過耐火極限判定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變化率。各試件的耐火極限見表2。從表2可以看出,相同截面的膠合木梁,隨著荷載比增加耐火極限明顯減小;相同荷載比的膠合木梁,截面較小的膠合木梁耐火極限較低。

許清風(fēng)等[5]進(jìn)行了花旗松原木梁的耐火極限試驗(yàn),試件長度和加載條件與本次試驗(yàn)相同,結(jié)果表明150 mm×300 mm截面木梁持荷為37 kN時(shí),耐火極限為37 min;100 mm×200 mm截面木梁持荷為12.375 kN時(shí),耐火極限為17 min。相同荷載下,膠合木梁耐火極限與實(shí)木梁相近。

表2試件的耐火極限

Table 2Measured fire endurance of specimens

注:F1為對比試件GB-1測得的極限承載力;F2為按F1和截面剛度比計(jì)算的極限承載力

2.2.4炭化速度

火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)束后,把木梁表面的炭化層去除,在梁長方向1/3和2/3位置分別測量膠合木梁受火后剩余截面尺寸,進(jìn)而計(jì)算炭化速度。截取出的薄木塊的照片如圖12所示。

從圖12可知:①膠合木梁炭化后截面基本可分為三個(gè)區(qū)域,即炭化層、高溫分解層和正常層。炭化層顏色深黑,主要為木材燃燒后的木炭,基本無強(qiáng)度;高溫分解層顏色灰褐,強(qiáng)度明顯劣化;正常層和普通木材一樣,顏色無變化、強(qiáng)度無降低;②三面受火膠合木梁的底面角部損傷較嚴(yán)重,矩形截面膠合木梁燃燒后端部呈圓弧狀,邊角棱角不再存在,這主要是因?yàn)榻遣渴艿诫p向熱量傳遞,炭化速度加快。

膠合木梁炭化速度實(shí)測值如表3所示。由表3可知,除試件GB-4外膠合木梁豎向炭化速度(VD)均大于水平向炭化速度(VB)。歐洲規(guī)范[16]規(guī)定密度大于290 kg/m3的軟木膠合木炭化速度為0.7 mm/min。本次試驗(yàn)測得的平均炭化速度比歐洲規(guī)范建議值稍偏大,主要是因?yàn)橥；鸷竽z合木梁仍在繼續(xù)燃燒、未及時(shí)滅火所致。

圖12 梁長方向1/3和2/3位置處剩余截面Fig.12 Residual cross-sections of specimens along 1/3 and 2/3 of span

表3試件炭化速度實(shí)測結(jié)果

Table 3Measured charring rate

3 耐火極限計(jì)算

由于炭化層強(qiáng)度幾乎為零,而木構(gòu)件剩余截面內(nèi)部區(qū)域仍為正常區(qū)域,因此通常采用剩余截面法來計(jì)算木構(gòu)件火災(zāi)下的承載力[17]。剩余截面法假設(shè)有效截面內(nèi)的木材材性與受火前一致,因此如何確定有效截面是關(guān)鍵。根據(jù)炭化速度可確定炭化層的厚度,但由于矩形截面試件受火時(shí)拐角處同時(shí)受到兩個(gè)方向的熱量,其炭化速率由于“拐角效應(yīng)”會(huì)增大,因此需額外增加炭化深度以考慮此影響。

歐洲、美國、澳洲和加拿大等國規(guī)范均建議采用剩余截面法來計(jì)算木梁的耐火極限[16,18-20],即假設(shè)木梁受火炭化后,扣除有效炭化深度后的截面木材強(qiáng)度保持不變,仍可采用常溫時(shí)的計(jì)算方法。但各國規(guī)范中木材炭化速度的計(jì)算方法有所不同,且考慮角部倒角效應(yīng)及溫度影響區(qū)的范圍不同。除了加拿大規(guī)范對剩余截面法公式進(jìn)行簡化外,其余國家規(guī)范保留了剩余截面法的公式。簡化后,加拿大規(guī)范不需要進(jìn)行迭代,而直接根據(jù)荷載比和截面尺寸計(jì)算木梁的耐火極限。各國規(guī)范具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[21]。

各國規(guī)范計(jì)算值與實(shí)測耐火極限對比見表4。由表4可知,各規(guī)范計(jì)算得到的耐火極限均比實(shí)測結(jié)果偏高,但耐火極限隨荷載比和截面尺寸的變化規(guī)律與實(shí)測結(jié)果一致。圖13給出了不同規(guī)范預(yù)測值與試驗(yàn)結(jié)果的對比,除了本文試驗(yàn)結(jié)果外,還包括R10[22]、Lange等[8]、許清風(fēng)等[5]文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果。

表4膠合木梁耐火極計(jì)算值與實(shí)測值對比

Table 4Comparison between calculated and measured fire endurance of glulam beams

從圖13可知,基于剩余截面法的膠合木梁耐火極限計(jì)算方法能較好地預(yù)測耐火極限隨荷載比和截面尺寸的變化規(guī)律,但大部分情況計(jì)算值比實(shí)測值偏高,這可能是由于炭化速度建議值偏小所致。由于密度、含水率均對木材炭化速度有所影響,考慮了該影響的歐洲規(guī)范和澳洲規(guī)范與試驗(yàn)結(jié)果較為接近,因此建議膠合木梁耐火極限計(jì)算采用考慮密度影響的剩余截面法。

圖13 木梁耐火極限計(jì)算值與實(shí)測值對比圖Fig.13 Comparison between calculated and measured fire endurance of beams

4 結(jié) 論

(1) 膠合木梁內(nèi)各測點(diǎn)溫度隨著受火時(shí)間的增加而升高,且停火之后內(nèi)部測點(diǎn)的溫度仍有所增加。溫度測點(diǎn)離構(gòu)件表面距離越近,溫度越高;且不同試件距邊緣相同距離測點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律相近。

(2) 相同截面的膠合木梁,隨著荷載比增加耐火極限減小;相同荷載比的膠合木梁,隨著截面尺寸增加耐火極限降低。150 mm×300 mm截面膠合木梁荷載比為0.2、0.35和0.5時(shí),耐火極限分別為46 min、33 min和25 min,而100 mm×200 mm截面膠合木梁荷載比為0.35時(shí),耐火極限為18 min。

(3) 相同荷載下,截面相同的膠合木梁耐火極限與實(shí)木梁相近。采取剩余截面法計(jì)算膠合木梁耐火極限時(shí),其炭化速度取值宜考慮密度的影響。