透榫和单向直榫木节点耐火极限的试验研究*

陈玲珠， 王 欣， 韩重庆， 许清风， 胡小锋， 王正昌

(1 上海市建筑科学研究院有限公司 上海市工程结构安全重点实验室， 上海 200032；2 上海理工大学环境与建筑学院， 上海 200093； 3 东南大学建筑设计研究院有限公司， 南京 210096)

0 引言

火灾是当今世界上发生频率较高的一种灾害。古往今来，传统木结构建筑火灾举不胜举，很多著名的历史建筑付之一炬，给人类带来了巨大的文化和财产损失[1-2]。由于木材的可燃性，传统建筑木结构火灾荷载较大，一旦发生火灾，燃烧迅速、火势猛烈，且易引起成片建筑火灾，火灾损伤严重。因此，传统木结构建筑的防火性能研究是文物建筑保护的一项重要工作。

木结构建筑中连接节点是关乎结构整体稳定性的关键环节，直接影响到木结构的安全性、可靠性和稳定性。传统木结构主要采用燕尾榫、馒头榫、直榫等榫卯连接方式，其中直榫又分为透榫、单向直榫和半榫。透榫用于大木构件，常做成大进小出的形状，榫的穿入部分高度按梁或枋本身高，而穿出部分高度，则按穿入部分减半；而单向直榫的穿入部分和穿出部分高度均按梁或枋本身高。透榫和单向直榫适用于需要拉结、但又无法用上起下落的方法进行安装的部位，半榫通常是在无法使用透榫的情况下使用。由于梁柱榫卯连接时，节点处梁和柱的截面均有所削弱，因此当节点受火时损伤较严重。榫卯节点耐火机理的研究对传统木结构建筑的保护意义重大。

目前关于榫卯节点的研究主要集中于常温下的结构性能。淳庆等[3]、赵鸿铁等[4]、陆伟东等[5]对不同类型榫卯连接节点常温下的承载性能及抗震性能进行了研究。陆伟东等[5]、谢启芳等[6]、张富文等[7]研究了不同类型榫卯节点的加固方法。目前榫卯节点火灾性能研究较少，张晋等[8]进行了燕尾榫榫卯节点的耐火极限试验，研究表明燕尾榫榫卯节点耐火极限随持荷水平的增加而减小，且对试件表面进行防火涂料处理可较大程度地提高其耐火极限。文献中暂未发现针对透榫和单向直榫榫卯原木节点耐火极限的相关研究。

本研究主要进行透榫和单向直榫榫卯原木节点耐火极限的试验，研究其耐火极限和温度场变化规律，为建立传统木结构建筑防火设计方法和防火性能提升提供技术依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

参照清工部《工程做法则例》图解[9]的构造要求，按照清代大木小式建筑设计制作五个足尺透榫和单向直榫节点模型，包括三个透榫节点模型和两个单向直榫节点模型，试件统计见表1。面阔(开间)选用最常规的3.6m，确定檐柱径为260mm，檐枋高度和宽度分别为260mm和210mm，檐柱和檐枋的长度在不小于节点影响区的前提下结合试验装置尺寸确定，试件尺寸见图1。

试件统计 表1

图1 试件尺寸

1.2 试验材料

考虑到松木是清式建筑常用的结构用材，选用市场上常见的南方松来制作木梁和木柱。根据国家标准，实测本次木梁用木材的气干密度为596kg/m3，含水率为18.7%；顺纹抗压强度为26.9MPa，顺纹抗拉强度为73.3MPa，抗弯强度为85.0MPa，顺纹抗弯弹性模量为7 640MPa。根据国家标准，实测本次木柱用木材的气干密度为641kg/m3，含水率为25.0%；顺纹抗压强度为20.4MPa，顺纹抗拉强度为60.0MPa，抗弯强度为97.0MPa，顺纹抗弯弹性模量为8 670MPa。

1.3 试验装置

本次受火试验在大型水平试验炉中进行。将榫卯节点竖直放置于水平试验炉中，柱端插入试验炉预留的槽内，另一端采用锚杆与反力架拉结，木柱底部2m采用防火棉包裹，其余部分受火，木梁三面受火，试验布置见图2。

图2 试验布置图

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位移，位移计布置如图2所示，其中DL-1，DL-2和DL-3分别测量距离柱边20，200mm和500mm处梁的竖向位移。热电偶布置如图3所示，1-1和2-2断面的位置见图1，其中T1，T2，T3和T4分别测量距离柱边30，60，90mm和130mm处的温度；T5和T6分别测量距离梁底25mm和130mm处的温度。热电偶通过开洞布置，洞口用木屑填实。透榫节点和单向直榫节点热电偶布置相同，图3仅给出透榫节点的热电偶布置图。

图3 热电偶布置图

1.5 加载控制

依据某古建木结构实际荷载，单根木柱竖向荷载取为50kN。采用20t千斤顶对柱顶进行分级加载，加载至50kN时保持恒定；然后采用50t千斤顶对梁端进行分级加载，对于未受火对比试件TJ-1和TJ-2，分级加载至试件破坏。对于受火试件TJ-3～TJ-5，梁端荷载值达到设定荷载比后，保持荷载恒定10min后点火，按照ISO 834标准升温曲线进行升温，升温过程中随时调节千斤顶油泵，保证梁端和柱端竖向荷载恒定，直到试件破坏或无法持荷，试件达到耐火极限，停止试验。

2 试验结果与分析

2.1 对比试件TJ-1和TJ-2

对比试件TJ-1，加载至3kN时，木材发出轻微的开裂声；加载至9kN时，声音较大，拔榫量较大；加载至9.5kN时，出现有规律的声响，约每隔1s响一次；加载至9.7kN时，荷载达到峰值，之后荷载开始下降，见图4(a)，节点越来越松动，榫头拔出量来越来越大，卯口和榫头发生明显挤压变形，试件破坏。

图4 对比试件TJ-1和TJ-2破坏形态

对比试件TJ-2，加载至17kN时，木材发出轻微的开裂声；加载至21kN时，试件能发生明显转动，无法继续持荷，见图4(b)，试件破坏。

对比试件TJ-1和TJ-2的荷载-位移曲线如图5所示。

由图5可知，透榫节点试件TJ-1，加载初期位移基本呈线性变化，DL-1和DL-2位移接近，节点转动较小，接近破坏时位移较大、延性较好；单向直榫节点试件TJ-2，加载过程中位移与荷载基本呈线性，破坏时较突然。对比发现，单向直榫节点试件的承载力比透榫节点试件的承载力高，这可能是因为受力时单向直榫节点试件节点区域承担荷载榫头面积较大所致，也可能是由于摩擦力差异等因素。

图5 对比试件TJ-1和TJ-2荷载-位移曲线

2.2 受火试件TJ-3～TJ-5

2.2.1 试验现象

各试件在受火初期，在试件顶部有白色烟雾溢出，并随受火时间的增加越来越浓。随着受火时间增加，加载点位移逐渐增加。在接近耐火极限时，加载点位移急速增加，同时油压急速下降，停火。试件TJ-3在受火25min时，火焰窜出，停火。待炉温冷却后，取出试件，如图6所示，梁柱均发生严重炭化，且榫头剩余截面较小。

图6 试件受火后照片

2.2.2 温度分布

为监测受火过程中木梁和木柱截面温度场变化情况，在木梁和木柱截面不同位置布置热电偶，热电偶具体位置如图3所示。节点受火过程中各深度处温度变化如图7所示，其中试件TJ-3和TJ-4中热电偶T1、试件TJ-5中热电偶T6在试验过程中损坏。

从图7可知：1)各测点温度随着受火时间的增加而升高，且停火之后温度下降较慢；试件TJ-3中T2在停火之后温度上升较多，这可能是由于木材继续燃烧所致。2)离试件表面越近的热电偶温度越高，除T1外其余测点温度均较低。3)各试件在温度靠近100℃时有一个平台，表明木构件在升温至100℃时有水分的蒸发。

图7 试件截面温度随时间变化曲线

2.2.3 耐火极限

《建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求》(GB/T 9978.1—2008)[10]规定构件耐火极限有三个判定标准：承载能力、完整性、隔热性。对于榫卯节点，当梁端位移变化较快导致梁端预加荷载无法持荷时，认定节点达到耐火极限。

试件梁端竖向位移随时间的变化曲线见图8，其中试件TJ-5中DL-1位移计故障。从图中可以看出，随着受火时间的增加，竖向位移逐渐增加，并且增加速度加快。在试件破坏阶段，位移发生突变。试件TJ-3在受火25min时由于火焰窜出停火，所以停火时梁端位移仍较小。各试件的耐火极限见表2。从表2可知，相同类型的透榫节点，随着荷载比的增加耐火极限减小；相同荷载比时，单向直榫节点耐火极限比透榫节点稍高，这可能是因为单向直榫节点榫头截面没有突然变小，受火后节点区域承担荷载的榫头面积仍比透榫节点稍大。

图8 试件梁端竖向位移随时间变化曲线

本研究试验结果与文献[8]持荷比0.5燕尾榫榫卯节点耐火极限为21min的试验结果接近。与文献[11]中螺栓连接节点耐火极限相比，相同荷载比时榫卯连接节点的耐火极限稍高；荷载比为0.3时螺栓连接节点的耐火极限小于15min。但文献[12]中螺栓较密时，螺栓连接节点耐火极限超过30min。《木结构设计标准》(GB 50005—2017)[13]要求木结构建筑梁柱构件耐火极限达到1h，传统木结构建筑榫卯节点的耐火极限相对较低，因此，在传统木结构建筑使用中应注意防火安全。对现有传统木结构建筑榫卯节点连接处建议采用透明阻燃液全露面涂刷工艺；落架大修维护修缮古建筑时，建议对拆卸下来的木构件统一进行阻燃工艺处理。应进一步研究木结构榫卯节点的耐火性能提升技术。

实测试件耐火极限 表2

2.2.4 炭化速度

火灾试验结束后，在梁上取两个截面，其中一个在榫头截面、另一个在梁上距榫头50mm处，柱上取三个截面，截面位置如图9所示，截取的薄木块照片如图10所示。将木梁和木柱表面的炭化层去除，分别测量木梁和木柱受火后剩余截面尺寸，按式(1)和(2)计算出木梁和木柱的炭化速度，其中木柱炭化速度根据3个截面剩余截面尺寸平均值计算，见表3。由于木梁三面受火，梁顶面未发生炭化，因此式(1b)与其余公式不同。

图9 剩余截面尺寸量测位置

图10 截取的剩余截面

(1a)

(1b)

(2)

式中：VB和VH分别为木梁水平向和竖向炭化速度，mm/min；B和b分别为受火前和受火后木梁宽度，mm；H和h分别为受火前和受火后木梁高度，mm；t为受火时间，min；VD为木柱炭化速度，mm/min；D和d分别为受火前和受火后木柱直径，mm。

从图10可知：1)木梁和木柱炭化后截面基本可分为三个区域，即炭化层、过渡层和常温层。2)三面受火木梁梁底角部损伤较严重，矩形截面木梁燃烧后端部呈圆弧状，这主要是因为角部受到两面热量传递，炭化速度加快。3)四面受火圆木柱受火后截面基本呈圆形，但有的截面呈椭圆形或有凸起，这主要是因为该截面受火前可能存在开裂，开裂处炭化速度较大。4)由于受到木柱的保护，靠近木梁一侧榫头截面炭化速度很小。

由表3可知，三个试件榫头截面处炭化速度均比梁处炭化速度小，这主要是因为榫头埋入木柱中，量测炭化深度处榫头截面受木柱保护所致。试件竖向炭化速度(VH)均大于水平向炭化速度(VB)。欧洲规范EN 1995-1-2[14]规定密度大于290kg/m3的软木原木炭化速度为0.8mm/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，主要是因为停火后木节点未及时熄灭所致。

试件炭化速度实测结果 表3

3 结论

(1)常温下单向直榫节点试件的承载力比透榫节点试件的承载力高。

(2)木梁和木柱内各测点温度随着受火时间增加而升高，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。

(3)相同类型的榫卯节点，随着荷载比的增加耐火极限减小；单向直榫节点耐火极限比透榫节点稍高。透榫节点荷载比为0.3和0.5时，耐火极限分别为25min和20min；单向直榫节点荷载比为0.5时，耐火极限为24min。

(4)传统木结构建筑榫卯节点的耐火极限较低，在使用中应注意防火安全，并应深入研究文物建筑木结构榫卯节点的耐火性能提升技术。