火焰高度在传统木构建筑榫卯燃烧试验中的变化

■ 郭晓朝 李萍 李智 西南林业大学土木工程学院

传统木构建筑虽然结构牢固、建造形制多变，但致命弱点就是可燃材料多、耐火等级低，遇火灾极易被烧毁。尤其是其结构力学构件榫卯节点一旦被烧，极易造成整体建筑坍塌的严重结果。建国以来，我国就有18处古建筑被烧毁坍塌，均与此有直接关系。

国外针对木结构构件连接处抗火性能进行了相关研究。Andrea Frangi 等对均匀木层板的火灾特性进行了研究，发现在高温下的粘接剂会导致木材炭化率的提高[1]。Lennon 等进行了实木梁与实木板、工字型木梁搭配刨花板及钢网片加固木梁与木板受火后倒塌性能试验[2]。Maxime Audebert 等对钢与木材的连接进行了火灾下试验，并建立了三维有限元模型[3]。Joachim Schmid 等对木构构件进行了耐火试验，发现了弯曲木材构件在火灾状态下的相关力学性能[4]。虽然国外的木结构研究在结构、材料等方面与我国木构民居存在着较大的差异，但是其试验理念和方法仍然值得我们借鉴与学习。

我国针对民居木构的抗火性能的研究主要有试验研究及计算机模拟研究两种。试验研究采用实体或比例模型进行实际的点火试验，直接对火灾发展、烟气蔓延进行观察，通过对试验中记录的温度、浓度等数据进行分析来研究其火灾特点，提出防火保护[5-8]。具有代表性的是张晋教授的课题组对两面受火木柱、三面受火木梁、燕尾榫节点、螺栓-钢填板节点、榫卯连接框架、钢填板连接框架、钢填板连接斜撑框架等，进行了不同受火时间，以及耐火极限试验，研究提高了我国木结构抗火研究的水平[9-16]。试验会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难，而计算机模拟恰好克服了前面方法的弱点。各学者利用计算机模拟分别从阻燃材料、消防设施、人员疏散对传统民居和古建筑中火势蔓延及烟气运动的特性方面开展了研究[17-21]。

本文选用云南传统木构建筑中广泛使用的燕尾榫、十字箍头榫、半榫和馒头榫四种不同榫卯（见表1），分别采用垂直燃烧和节点燃烧点火方式，在不同加固方式下进行燃烧试验，分析火焰高度在试验中的变化，从而得到各种榫卯的抗火性能次序。

表1 四种榫卯结构的数量及尺寸

一、材料与方法

经调查发现云南传统木构建筑主要以云南松为主要木材，因此，试验用云南松制作了相应的榫卯节点。自制试验平台提供点火源，通过控制煤气的量来控制火焰的高度，并且添加两台固定功率电炉给予相应的热辐射，电炉距离榫卯的距离为400mm，此距离下电炉的热辐射为2.0kW/m2，环境的温度为25℃，进行热辐射后榫卯的温度53℃～58℃之间。

二、不同点火方式对榫卯抗火性能的影响

（一）榫卯垂直方向燃烧时不同榫卯燃烧试验

选用燕尾榫、馒头榫、半榫及十字箍头榫从榫卯垂直方向进行点火燃烧，模拟延燃状态下的榫卯燃烧过程。对火焰高度进行测量，如下图1 所示。

图1 不同榫卯垂直燃烧时火焰高度随时间变化

各榫卯均表现为火焰高度会随时间变化而升高，且峰值都在3 ～4min 时出现。当达到峰值后会随时间的变化而下降，到10min 之后火焰高度开始趋于平缓。最终各榫卯火焰高度都维持在5cm 左右。各榫卯的燃烧峰值不同，火焰高度极值统计见表2。

表2 不同榫卯垂直燃烧火焰高度极值

由以上数据可知在延燃状态下十字箍头榫燃烧最为充分，而馒头榫燃烧相对较缓慢。

（二）榫卯直接受火时不同榫卯燃烧试验

选用燕尾榫、馒头榫、半榫及十字箍头榫直接受火作用下燃烧，模拟点燃状态下的榫卯燃烧过程。对火焰高度进行测量，如下图2 所示。

图2 不同榫卯直接受火时火焰高度随时间变化

从图中可以看出十字箍头榫的火焰高度在同一时刻几乎都高于其他的榫卯，这主要与它的结构有关。十字箍头榫结构复杂，与空气的接触面积大，所以燃烧更激烈，火焰高度相应地会高于其他的榫卯。燕尾榫、半榫、馒头榫的火焰最高值都在6min 前后出现，而十字箍头榫的火焰最高值在12min（快烧坏）时出现。各榫卯的最高与最低火焰值、烧坏时间及火焰平稳后火焰高度的波动区间见表3。

表3 不同榫卯直接受火时火焰高度极值及损坏时间

由以上数据可知直接受火时十字箍头榫燃烧同样最为充分，而燕尾榫燃烧相对于延燃工况下较缓慢。

三、不同加固方式对榫卯抗火性能的影响

为了让木建筑更加的耐用，对木构件的连接处进行加固，可以提高其抗震、抗烧、抗压等性能。在木构建筑中常用的加固方式有：扒钉加固、钢箍加固、钢丝加固、扁钢加固、碳纤维布加固等。本试验中主要选取钢丝加固和扒钉加固作为试验对象。

（一）垂直方向燃烧时不同加固方式榫卯燃烧试验

加固榫卯的火焰高度随时间的变化火焰高度同样逐渐升高，但峰值相对于不加固时推迟了1 ～2min 出现。对于燕尾榫，加固方式会影响其燃烧过程。从图3 可以看出，扒钉加固方式相对于钢丝加固方式对燕尾榫的抗火性能影响很大，不仅在燃烧初期使得火焰高度超过钢丝加固方式1 倍，且在燃烧中后期也能持续影响。但是馒头榫使用钢丝加固或者扒钉加固方式影响相对较小。

图3 垂直燃烧时不同加固方式榫卯火焰高度随时间变化

由表4 可知，当使用燕尾榫建造时，钢丝加固方式有利于燕尾榫本身的抗火性能。

表4 垂直燃烧时不同加固方式不同榫卯火焰高度极值

（二）直接受火时不同加固方式榫卯燃烧试验

燕尾榫同样表现出钢丝加固节点抗火性能优于扒钉加固节点。在同一时刻扒钉加固的火焰高度普遍高于钢丝加固。扒钉加固的火焰高度先随时间的变化而升高之后逐渐趋于平缓。而钢丝加固的火焰高度刚开始的时候火焰随时间的变化起伏不大，在13min 之后火焰高度迅速升高。（见图4）

图4 直接受火时不同加固方式榫卯火焰高度随时间变化

而馒头榫直接点火下钢丝加固方式反而导致了火势的扩大。扒钉加固相对稳定。不同加固方式的榫卯在节点燃烧中最高与最低火焰值、烧坏时间数据见表5。

表5 直接受火时不同加固方式榫卯火焰高度极值

因此燕尾榫在传统木构建筑中优先选用钢丝加固方式以利于其抗火性能。而馒头榫在直接受火状态下应优先选用扒钉加固。

四、结语

（一）通过进行燕尾榫、半榫、十字箍头榫及馒头榫进行延燃状态及直接受火状态下燃烧试验，得到十字箍头榫在两种情况下均燃烧充分，而馒头榫在延燃状态下最缓慢，燕尾榫在延燃工况下最缓慢。

（二）进行加固方式后榫卯燃烧过程总体趋势不变，但火焰高度峰值出现时间推迟了1 ～2min。

（三）使用燕尾榫建造时，扒钉加固方式会促使火焰延燃，而钢丝加固方式一定程度上能有利于燕尾榫本身的抗火性能。

（四）在直接受火状态下，馒头榫钢丝加固方式反而导致了火势的扩大。而扒钉加固方式与不加固方式下直接受火基本一致。