内夹单层镀锌板复合望板系统耐火性能研究

郭世庆，刘永军

(沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁沈阳 110168)

0 引言

据2021 年第七次全国人口普查数据，居住在村镇中的户籍人口已占同期全国总人口比例约36.11%。在村镇建筑中，木材因其绿色环保且造价低廉的特点成为必不可少的建筑材料。由于木材易于燃烧，使得建筑火灾风险性加大。一旦结构出现明火，构件表面充分与空气接触，又因空气补给快，一旦起火，火势很容易蔓延。因此，火灾仍然是传统木结构建筑的主要建筑隐患与致命威胁之一。2017 年5 月26 日，贵州省榕江县仁吉村发生一起火灾，火灾烧毁房屋24 间，受火面积为1 561 m2，3人死亡，造成经济财产损失约160 万元。2020 年1 月1 日，贵州省从江县上歹村发生火灾，一间房屋起火后相邻建筑屋也被烧毁，最后烧毁房屋数量两间，面积约200 m2，5 人死亡，损失惨重。2021 年2 月14 日，云南省翁丁老寨发生火灾，烧毁房屋104 栋，造成的经济损失无法估量。

目前，国内外学者对于木结构耐火性能已做了大量研究。Elza MM Fonseca 等[1]研究了木板中夹入钢板的结构的耐火性能。研究结果表明，钢板在一定程度上隔绝了火源和木材的接触，增加了耐火时间，但高温导致钢板附近的木材焦化严重。Richardson[2]等研究了如何改善既有建筑木屋面和木露面的耐火极限。研究表明，在木楼盖下方安装石膏板是提高耐火极限性能的有效方法。北京建筑大学刘栋栋等[3]通过有限元软件对木结构屋架在常温和高温下进行模拟，研究表明，在标准升温曲线下，木结构屋架檩条以下的主体受力结构耐火极限能达到60 min，高于椽子和望板的耐火极限。

由于村镇地区屋顶系统大多为传统的木结构望板系统和冷摊瓦屋顶系统两种。本文提出了一种新型的内夹单层镀锌板木-钢复合望板屋顶系统。该构件是由两层传统薄木望板中间夹一层薄镀锌板组成，工艺简单，节能环保且价格低廉，能够广泛用于村镇地区。本文采用Abaqus 模拟软件建立的有限元分析模型，在标准的升温曲线情况下，对上述三种屋顶系统均进行了温度场数值模拟的分析，后又在温度场分析模型的研究基础上，采用了热应力顺序耦合法的分析形式，在同等荷载的作用下进行应力场对比分析。为该类屋顶结构抗火设计提供参考。

1 建立有限元模型

分析模型源于甘肃省张掖市乐民县高郝村，如图1 所示。依据实体构件建立相对应的有限元模型，分析构件上的温度场变化分布等情况以及火灾条件影响下和相同载荷环境下产生的有限元结构性能变化情况。具体的模型结构包括木梁、木板以及镀锌钢板，梁、木板、钢板之间均由铁钉连接。在模型建立中，为了保证唯一变量条件，三个屋顶系统木梁直径及木板总体厚度相同。在结构组成上，新型复合望板系统由两层木望板夹一层镀锌钢板组成，传统望板系统中只有一层木望板，冷摊瓦系统则是将木板间留出空隙。构件具体尺寸如图2 所示。

图1 传统屋顶系统

图2 构件模型

利用Abaqus 软件建立装配模型，定义各项装配材料属性，后即可对装配体系统中的各个构件逐一进行装配。由于足尺模拟构件尺寸相对于起固定作用的钢钉较大，故将钢钉忽略。试件装配体模型如图3 所示。

图3 屋顶系统装配示意图

研究三种屋顶系统耐火极限的有限元模拟分析方法选用热应力顺序耦合法。该方法分为温度场模拟和结构场模拟两种方式进行。首先进行模型内部的温度场模拟分析，得出在各个温度环境中，各材料体系及相关构件的局部升温情况，再将该材料升温情况分别导入应力场模型系统中，施加相同荷载作用力，计算得出两种主要荷载共同作用状态下材料的各构件结构性能变化情况。

2 温度场分析

2.1 建立模型及划分网格

该温度场分析模型具体尺寸采用实例数据，网格尺寸为20 mm，如图4。

图4 新型望板网格划分图

2.2 材料参数设置

温度场模拟中，只需考虑材料的热工性能。热工性能包括导热系数、密度、比热容，将镀锌钢板视为钢材，本文参考欧洲规范EN 1995-1-2[4]和EN 1993-1-2[5]分别对木材和钢材的热工性能进行取值。

2.3 边界条件与接触方式

温度场分析时采用ISO 834 标准升温曲线并按照现实火灾发生情况设置受火区域。在新型木-钢结构望板模型和传统木结构望板模型中，木梁表面区域及木板下表面区域设置受火，在冷摊瓦模型中，木梁表面及木板下、侧表面区域受火。其余部分则全部设置为不受火灾直接作用，如图5 所示。设置材料的起始温度为20 ℃，受火面热对流交换系数为25 (W/m2℃)时，非受火面热对流交换系数9 (W/m2℃)，钢材表面的热辐射系数取值为0.7，木材取值0.8，接触面采用绑定的方式来设置，使材料其表面热量能够在不同类型材料间传递[6]。

图5 屋顶系统受火示意图

2.4 温度场分析结果

2.4.1 传统望板系统温度场分析结果

图6 为不同时刻传统木望板的截面温度云图，从截面云图中可以看出，随着火灾温度的不断升高，木梁、望板的炭化层深度也不断加深。在Abaqus 模拟中设置木材在升温过程中的炭化界限温度为300 ℃[7]，云图中灰色区域代表此处木材已经发生炭化。

图6 传统望板各时刻跨中截面温度场云图

在t=300 s 时，受火面在火荷载作用下，温度不断升高，此时望板下端和木梁表面温度已经超过300 ℃，开始炭化。

在t=900 s 时，此时望板下端和木梁表面已经炭化完全，在火荷载和热量表面传递作用下，炭化层进一步加深。

在t=1 500 s 时，热量由受火面的高温区传递到背火面的低温区，此时剩余未炭化厚度仅3.8 mm（图6）。

2.4.2 冷摊瓦系统温度场分析结果

图7 为不同时刻冷摊瓦屋顶系统的截面温度云图，从截面云图中可以看出，随着火灾温度的不断升高，木梁、望板的炭化层深度也不断加深。由于冷摊瓦系统中，木板间有空隙，所以木板为三面受火。

图7 冷摊瓦各时刻跨中截面温度场云图

在t=300 s 时，受火面在火荷载作用下，温度不断升高，此时望板下端和木梁表面温度已经超过300 ℃，开始炭化。

在t=900 s 时，木梁炭化深度同传统望板基本一致，但由于木板为三面受火作用，木板炭化速度更快，此时剩余未炭化厚度仅为4.5 mm。

在t=1 500 s 时，剩余木梁未炭化区域直径18.3 mm，木板已全部炭化，如图7。

2.4.3 新型木-钢望板系统温度场分析结果

图8 为不同时刻新型木-钢望板系统的截面温度云图，从截面云图中可以看出，随着火灾温度的不断升高，木梁、望板的炭化层深度也不断加深。但由于在两层木望板间夹一层镀锌钢板，在同等厚度望板的前提下，钢板很大程度上阻隔了热量向上传递，减缓了上层木板炭化速度。

图8 新型木-钢望板各时刻跨中截面温度场云图

在t=300 s 时，受火面在火荷载作用下，温度不断升高，此时望板下端和木梁表面温度已经超过300 ℃，开始炭化。

在t=900 s 时，木梁炭化深度同传统望板基本一致，下层木望板基本炭化完全，但由于镀锌钢板的作用，阻隔了热量向上传递，上层木望板并没有发生炭化现象。

在t=1 500 s 时，木梁炭化深度同传统望板基本一致，下层木望板炭化完全，由于镀锌钢板的作用，上层木望板仍没有发生炭化，如图8。

2.4.4 三种屋顶系统温度场对比分析

1）新型复合望板在木板同等厚度的前提下增加了一层0.4 mm 的镀锌钢板，在镀锌钢板的作用下除了整体耐火性能提高外，新型复合望板的保温隔热性也有很大程度提高。

2）新型复合望板中由于有镀锌钢板的存在，上层望板与下层望板被镀锌钢板分为上下两个区域，当下层区域的热量传递到上层区域时，由于火焰不能直接引燃上层望板，在上层望板与镀锌钢板之间产生的可燃气体短期内会从网板间的空隙排放到空气中，因此降低了上层望板的温度上升速度，如图9。

图9 各测点升温图

3 结构场分析

3.1 材料参数设置

模拟的木材为花旗松，常温情况下的平均木材密度为约为480 kg/m³,含水率约为10.4%[8]，弹性模量选用工程常数，塑性强度采用Hill 屈服准则定义[9]。顺纹弹性模量为10 178 MPa，顺纹抗拉强度为78 MPa，顺纹抗压强度为29.38 MPa，其他木材参数参考《木结构设计手册》[10]建议进行取值，如表1。

表1 木材本构关系模型参数

薄钢板材料选用Q345 型钢，钢材弹性模量为2.06×105MPa，按照fk=f（1-1.645v）取屈服强度标准值，屈服强度平均值分别为406 MPa 和754 MPa。

高温下，木材的力学性能按照EN 1995-1-2 进行折减，钢板的力学性能按照EN 1993-1-2 进行折减。需要注意的是，EN 1995-1-2 建议300 ℃时木材的弹性模量与强度取值为0，Abaqus 中无法定义0 弹性模量及0 强度，因此将300 ℃的弹性模量、强度取为常温下的1/100。

钢材的热膨胀系数（单位m/m*K）

3.2 建立模型与划分网格

结构场分析模型的建立与温度场分析模型一致，现实中木梁直接固定在柱子上，在Abaqus 直接设为完全固定即可。网格划分与温度场也保持一致，以保证数据的有效性。

3.3 接触设置

结构场分析时，木梁与木望板、钢板之间接触方式采用表面与表面接触，各个接触面设为绑定接触，以保证力传递的有效性。

3.4 边界条件与荷载

三种屋顶系统中，木梁均为主要受力载体，模拟时将木梁两端设置为固接。受火过程中，在最上层望板表面的竖直方向施加均布荷载1.168 kN/m2，为模拟真实荷载。如图10。

图10 边界条件设置示意图

3.5 耐火极限判定标准

根据《建筑构件耐火极限试验方法》[11]中的结论，试件本身的抗火程度应该包含了承重能力以及构件之间的空间完整性。规范条文中指明，受弯构件在跨中最大变形弯曲速率达到L2/9 000 d(mm/min)时或者构件跨中的挠度达到L2/400 d(mm)时，认为该构件已经达到最大承载力极限。本文将所述研究对象看作木板构件及木梁构件组成，根据判定标准可以认为当木板跨中最大挠度达到38 mm 左右时，或最大位移变化的速率达到1.7 mm/min 时，构件开始失去初始承载能力；而木梁在跨中最大挠度达到100 mm 时或跨中位移变化的速率达到4.4 mm/min 时，构件失去了承载能力。

3.6 结构场模拟结果分析

图11 是木板跨中位移与时间结果曲线。研究得出，随着受火时间变长，跨中挠度逐渐变大。

图11 木板跨中时间-位移曲线

t=1 310 s 时，传统木结构望板跨中最大挠度达到38 mm，判定失去承载力；

t=1 495 s 时，冷摊瓦屋顶系统跨中最大挠度达到38 mm，判定失去承载力；

然后新型木-钢结构望板系统整个过程最大挠度及最大位移变化速率均未达到极限值，但由于木梁是整个系统的主要受力构件且已炭化完全，所以选定木梁作为破坏判定依据。在Abaqus 软件中，重新选用一根木梁进行热应力顺序耦合。根据结果，t=2 268 s，木梁跨中最大挠度100 mm，新型木-钢结构望板系统到达极限承载力，即发生破坏，如图12。

图12 木梁跨中时间-位移曲线

结果表明：新型木-钢结构望板系统耐火极限相对于传统木结构望板系统提高73%，相对于冷摊瓦系统提高52%。

4 结论

本文对新型木-钢结构望板系统、传统木结构望板系统、冷摊瓦屋顶系统三种屋顶的耐火极限进行了温度场分析以及结构场分析，在相同荷载条件作用下的耐火极限的结构场分析中得出，新型木-钢望板由于有镀锌钢板的存在，在望板与镀锌钢板夹缝中燃烧产生化学变化的原因，也降低了上层望板的温度上升速度。同时，结构场中新型复合望板的耐火时间要长于传统望板，具有更好的耐火性能和支撑能力。在火灾中能够长时间保持原有结构不塌陷，为居民逃生提供足够的时间。此类望板系统为村镇木结构建筑和改造提供参考。