三面受火胶合木梁耐火极限的试验研究

陈玲珠 许清风,* 王 欣

(1.上海市建筑科学研究院上海市工程结构安全重点实验室,上海 200032; 2.上海理工大学,上海 200093)

0 引 言

传统木结构多采用实木,但实木的截面尺寸和长度易受树木原材料尺寸的限制,所以实木难以满足大跨度、大截面等大型承重构件的要求。而工程木结构可以解决这一问题,且工程木构件可剔除或平均木材原有的缺陷,更合理地利用木材,大大提高木材资源的利用率。王倩[1]、张磊[2]、刘柯珍[3]分别对落叶松、花旗松等胶合木材的基本力学性能和构件力学性能进行了研究。研究表明,胶合木的力学性能明显优于天然木材。

现行木结构设计规范和建筑设计防火规范要求木结构层数不超过三层,其中木结构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极限的简化计算方法。许清风等[5]进行了三面受火木梁耐火极限试验,研究表明,三面受火木梁的耐火极限随持荷水平增加而降低,随截面尺寸增加而显著增加;涂抹防火涂料能显著提高木梁耐火极限。倪照鹏等[6]进行了一系列木构件的标准耐火试验,研究了木构件的耐火性能、破坏模式和耐火极限。试件包括木构架墙体、木构架楼板与天花板吊顶,以及胶合木梁和木柱。研究表明,木构件具有较好的耐火性能,能达到所要求的耐火极限。张盛东等[7]对14个东北落叶松实木试件进行了燃烧试验,研究了阻燃剂对木材耐火性能的影响。试验表明,阻燃剂对木材耐火性能有一定的改善。Lange等[8]研究了不同升温曲线对胶合木梁抗火性能的影响,并将试验结果与欧洲规范计算公式进行了对比,研究表明,不同升温曲线对胶合木梁耐火极限有影响,且欧洲规范计算公式偏于不安全,并建议标准火灾时零强度层厚度改为15 mm。

工信部和住建部联合发布的《促进绿色建材生产和应用行动方案》(工信部联原〔2015〕309号)中已明确把发展木结构建筑作为一项重要的行动目标,因而应尽快开展木结构的系统研究。本文拟进行胶合木梁耐火极限的试验研究,为建立胶合木结构防火设计方法提供依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

选用规格材树种为樟子松,试验参数包括荷载比和截面尺寸。试件统计表见表1。

1.2 试验材料

根据GB/T 1933—2009 《木材密度测定方法》[9]和GB/T 1931—2009 《木材含水率测定方法》[10]的规定测试木材的密度和含水率。根据GB/T 1935—2009 《木材顺纹抗压强度试验方法》[11]、GB/T 1938—2009 《木材顺纹抗拉强度试验方法》[12]、GB/T 1936.1—2009 《木材抗弯强度试验方法》[13]、GB/T 1936.2—2009 《木材抗弯弹性模量试验方法》[14]的规定测试木材的顺纹抗压、顺纹抗拉、抗弯强度及顺纹抗弯弹性模量。

表1胶合木梁试件统计表

Table 1Summarize of the test specimens

注:#GB-5极限承载力根据GB-1实测结果,及GB-1与GB-5的截面刚度比推算而得

实测本次试验用木材的气干密度为445 kg/m3,含水率为14.9%;木材顺纹抗压强度为39.3 MPa,顺纹抗拉强度为46.6 MPa,抗弯强度为54.0 MPa,顺纹抗弯弹性模量为6 100 MPa。

1.3 试验装置

本次受火试验在大型水平试验炉中进行。将胶合木梁搁置在水平炉炉壁上,两端简支,试件全长三面受火,通过反力架和千斤顶采用三分点施加荷载,搁置点间距为3.6 m,试验布置如图1所示。

图1 试验布置图(单位：mm)Fig.1 Test setup (Unit：mm)

1.4 测点布置

受火试件分别布置热电偶和位移计来监测升温过程中试件内部的温度场分布和试件跨中的位移变化,未受火对比试件在跨中沿截面高度布置应变片来测试试件跨中截面应变随荷载增加的变化关系,热电偶、位移计和应变片布置如图2所示。

图2 热电偶、位移计和应变片布置图(单位：mm)Fig.2 Arrangement of thermocouples,LVDT and strain gauges (Unit：mm)

1.5 加载控制

采用50吨千斤顶进行分级加载,每级10 kN。为确保试验加载和采集设备正常运行,在正式加载前进行预加载,预加载值取30 kN。对于未受火对比试件GB-1,分级加载到试件破坏。对于耐火极限试验试件GB-2～GB-5,加载至设定持荷水平后,恒定荷载10 min,然后按照ISO 834标准升温曲线升温,升温过程中随时调节千斤顶油泵保证竖向荷载恒定。当梁跨中挠度达到L2/(400d)(式中,L为梁的净跨度,mm;d为梁截面上抗拉点与抗压点之间的距离,mm)(即试件GB-2～GB-4达到108 mm、试件GB-5达到162 mm)、或梁跨中挠度变化率大于L2/(9 000d) (即试件GB-2～GB-4大于4.8 mm/min、试件GB-5大于7.2 mm/min)、或试件破坏、或有火焰冒出,停止试验,试件达到耐火极限。

2 试验结果与分析

2.1 对比试件GB-1

对比试件GB-1加载至90 kN时发出轻微开裂声,开裂声间断不连续;随着荷载增大,开裂声逐渐变大,响声连续;加载至120 kN时,发出一声较大声响,木梁沿跨中向支座处形成分层裂缝(图3),试件破坏,破坏时跨中挠度为64.5 mm。

图3 对比试件GB-1破坏形态Fig.3 Failure mode of control specimen GB-1

对比试件GB-1荷载-位移曲线如图4所示。从图中可以看出,当荷载小于90 kN时,加载过程位移基本呈线性变化;当荷载大于90 kN时,荷载和位移呈非线性关系。

图4 对比试件GB-1荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of control specimen GB-1

对比试件GB-1荷载-应变曲线如图5所示。

图5 对比试件GB-1荷载-应变曲线Fig.5 Load-strain curve of control specimen GB-1

从图5可知,各应变均随荷载的增加而增加,且当荷载小于90 kN时,荷载-应变曲线基本为一直线;当荷载大于90 kN时,荷载和应变呈非线性关系。变化规律与GB-1荷载-位移曲线一致。

对比试件GB-1跨中截面应变分布如图6所示。从图6可知,跨中应变分布基本符合平截面假定。

图6 GB-1跨中截面应变分布Fig.6 Strain profile at mid-span cross-section of GB-1

2.2 受火试件GB-2～GB-5

2.2.1试验现象

各试件在点火3 min左右,在试验梁的两端处开始有白色烟雾冒出;受火5 min时盖板接缝处有白色烟雾溢出,并随着受火时间的增加越来越浓;随着受火时间增加,跨中挠度逐渐增加;在接近耐火极限时,跨中位移急速增加,同时油压急速下降且不能持荷,停火。待炉温下降,构件取出后观察到,木梁表面沿胶合方向和垂直胶合方向出现很多纵横裂缝,并且木梁胶合处部分脱开、两端端部脱开最为明显。试验照片如图7所示。

2.2.2温度分布

为监测受火过程中木梁截面温度场变化情况,在木梁截面不同位置布置热电偶,热电偶具体位置如图2(a)所示。典型木梁受火过程中各深度处温度变化如图8所示。

从图8中可以看出:①各测点温度随受火时间增加而升高,且停火之后部分测点温度继续升高;②测点距截面边缘越近,相同受火时间下温度越高;③在温度靠近100 ℃时有一个平台,表明木构件在升温至100 ℃时有水分蒸发,且平台长短与其距边缘距离相关,离边缘距离较近的测点平台较短、而离边缘较远的测点平台较长。

试件GB-2～GB-5中热电偶T1和T4的温度对比如图9所示。其中:GB-5中热电偶T1离边缘50 mm、GB-2～GB-5中T1离边缘75 mm;GB-2～GB-5中热电偶T4均离边缘25 mm。

图7 试验照片Fig.7 Photos of testing

从图9可知,相同截面尺寸试件相同位置处测点温度随时间的变化关系相差较小。相同受火时间时,试件GB-5中测点T1温度稍高于试件GB-2～GB-4中测点T1,而试件GB-5中测点T4温度与试件GB-2～GB-4中测点T4接近。这主要是因为试件GB-5中测点T1距侧面距离比试件GB-2～GB-4中测点T1距侧面距离小,而四个试件中测点T4距截面边缘距离相同。

2.2.3耐火极限

根据《建筑构件耐火试验方法 第1部分:通用要求》(GB/T 9978.1—2008)[15],构件耐火极限有三个判定标准:承载能力、完整性、隔热性。如果试件的“承载能力”已不符合要求,则将自动认为试件的“隔热性”和“完整性”不符合要求。判定试件承载能力的参数是变形量和变形速率,对于抗弯构件,当跨中挠度达到L2/400d(mm)或跨中挠度变形率大于L2/9 000d(mm/min)时即认为试件丧失承载力(其中,L是构件跨度,d是截面高度)。

图8 典型试件截面温度随时间变化曲线Fig.8 Temperature-time curves of typical specimens

图9 试件截面温度对比Fig.9 Comparison of temperature development among different specimens

本次试验胶合木梁的跨度均为3 600 mm,对于截面为100 mm×200 mm的胶合木梁GB-5:L2/400d= 162 mm、L2/9 000d=7.2 mm/min;对于截面为150 mm× 300 mm的胶合木梁GB-2～GB-4:L2/400d=108 mm、L2/9 000d=4.8 mm/min。

试件跨中挠度随时间的变化曲线见图10。试件跨中挠度变化率随时间的变化曲线见图11。

图10 跨中挠度随时间变化曲线Fig.10 Curves of mid-span deflection with time of specimens

图11 跨中挠度变化率随时间变化曲线Fig.11 Curves of mid-span deflection rate with time of specimens

从图10、图11可知,随着受火时间增加,跨中挠度逐渐增加,并且增加越来越快。在试件破坏阶段,位移发生突变,跨中挠度变化率超过耐火极限判定标准规定的变化率。各试件的耐火极限见表2。从表2可以看出,相同截面的胶合木梁,随着荷载比增加耐火极限明显减小;相同荷载比的胶合木梁,截面较小的胶合木梁耐火极限较低。

许清风等[5]进行了花旗松原木梁的耐火极限试验,试件长度和加载条件与本次试验相同,结果表明150 mm×300 mm截面木梁持荷为37 kN时,耐火极限为37 min;100 mm×200 mm截面木梁持荷为12.375 kN时,耐火极限为17 min。相同荷载下,胶合木梁耐火极限与实木梁相近。

表2试件的耐火极限

Table 2Measured fire endurance of specimens

注:F1为对比试件GB-1测得的极限承载力;F2为按F1和截面刚度比计算的极限承载力

2.2.4炭化速度

火灾试验结束后,把木梁表面的炭化层去除,在梁长方向1/3和2/3位置分别测量胶合木梁受火后剩余截面尺寸,进而计算炭化速度。截取出的薄木块的照片如图12所示。

从图12可知:①胶合木梁炭化后截面基本可分为三个区域,即炭化层、高温分解层和正常层。炭化层颜色深黑,主要为木材燃烧后的木炭,基本无强度;高温分解层颜色灰褐,强度明显劣化;正常层和普通木材一样,颜色无变化、强度无降低;②三面受火胶合木梁的底面角部损伤较严重,矩形截面胶合木梁燃烧后端部呈圆弧状,边角棱角不再存在,这主要是因为角部受到双向热量传递,炭化速度加快。

胶合木梁炭化速度实测值如表3所示。由表3可知,除试件GB-4外胶合木梁竖向炭化速度(VD)均大于水平向炭化速度(VB)。欧洲规范[16]规定密度大于290 kg/m3的软木胶合木炭化速度为0.7 mm/min。本次试验测得的平均炭化速度比欧洲规范建议值稍偏大,主要是因为停火后胶合木梁仍在继续燃烧、未及时灭火所致。

图12 梁长方向1/3和2/3位置处剩余截面Fig.12 Residual cross-sections of specimens along 1/3 and 2/3 of span

表3试件炭化速度实测结果

Table 3Measured charring rate

3 耐火极限计算

由于炭化层强度几乎为零,而木构件剩余截面内部区域仍为正常区域,因此通常采用剩余截面法来计算木构件火灾下的承载力[17]。剩余截面法假设有效截面内的木材材性与受火前一致,因此如何确定有效截面是关键。根据炭化速度可确定炭化层的厚度,但由于矩形截面试件受火时拐角处同时受到两个方向的热量,其炭化速率由于“拐角效应”会增大,因此需额外增加炭化深度以考虑此影响。

欧洲、美国、澳洲和加拿大等国规范均建议采用剩余截面法来计算木梁的耐火极限[16,18-20],即假设木梁受火炭化后,扣除有效炭化深度后的截面木材强度保持不变,仍可采用常温时的计算方法。但各国规范中木材炭化速度的计算方法有所不同,且考虑角部倒角效应及温度影响区的范围不同。除了加拿大规范对剩余截面法公式进行简化外,其余国家规范保留了剩余截面法的公式。简化后,加拿大规范不需要进行迭代,而直接根据荷载比和截面尺寸计算木梁的耐火极限。各国规范具体计算方法见文献[21]。

各国规范计算值与实测耐火极限对比见表4。由表4可知,各规范计算得到的耐火极限均比实测结果偏高,但耐火极限随荷载比和截面尺寸的变化规律与实测结果一致。图13给出了不同规范预测值与试验结果的对比,除了本文试验结果外,还包括R10[22]、Lange等[8]、许清风等[5]文献中的试验结果。

表4胶合木梁耐火极计算值与实测值对比

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

从图13可知,基于剩余截面法的胶合木梁耐火极限计算方法能较好地预测耐火极限随荷载比和截面尺寸的变化规律,但大部分情况计算值比实测值偏高,这可能是由于炭化速度建议值偏小所致。由于密度、含水率均对木材炭化速度有所影响,考虑了该影响的欧洲规范和澳洲规范与试验结果较为接近,因此建议胶合木梁耐火极限计算采用考虑密度影响的剩余截面法。

图13 木梁耐火极限计算值与实测值对比图Fig.13 Comparison between calculated and measured fire endurance of beams

4 结 论

(1) 胶合木梁内各测点温度随着受火时间的增加而升高,且停火之后内部测点的温度仍有所增加。温度测点离构件表面距离越近,温度越高;且不同试件距边缘相同距离测点的温度随时间的变化规律相近。

(2) 相同截面的胶合木梁,随着荷载比增加耐火极限减小;相同荷载比的胶合木梁,随着截面尺寸增加耐火极限降低。150 mm×300 mm截面胶合木梁荷载比为0.2、0.35和0.5时,耐火极限分别为46 min、33 min和25 min,而100 mm×200 mm截面胶合木梁荷载比为0.35时,耐火极限为18 min。

(3) 相同荷载下,截面相同的胶合木梁耐火极限与实木梁相近。采取剩余截面法计算胶合木梁耐火极限时,其炭化速度取值宜考虑密度的影响。