花旗松原木梁构件耐火试验研究.pdf
《花旗松原木梁构件耐火试验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《花旗松原木梁构件耐火试验研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期建筑防火设计花旗松原木梁构件耐火试验研究刘激扬1,尹亮2,3,4(1.国家消防救援局,北京 100054;2.应急管理部天津消防研究所,天津 300381;3.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室,天津 300381;4.天津市消防安全技术重点实验室,天津 300381)摘要:目前原木结构建筑广泛使用,面临耐火性能评估和提升需求。本文对当前木构件耐火性能研究方法和现状进行了简述,针对花旗松小截面(200 mm100 mm)原木梁构件设计并实施了常温试验以及基于碳氢(HC)和标准升温曲线的耐火试验。研究发现:梁构件在常温下脆性破坏,
2、在以上 2种温升条件下均整体弯曲失效,且耐火极限分别为 17 min和 20 min;构件横截面温度特征及实测炭化结果显示,近跨中截面的炭化速率更大。建议由构件整体耐火试验反演获得炭化特性,以涵盖构件材质不均匀等随机影响,同时提出基于火灾升降温全过程的炭化评估方法。关键词:花旗松原木;炭化速率;耐火极限;木梁构件中图分类号:X913.4;TU392.5 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)09-1217-06木结构建筑在全寿命期不可避免地受到火灾威胁。与建筑钢结构、钢筋混凝土结构相比,由于木材的燃烧性能较低,建筑一旦发生火灾,木结构更难被完好保存,因此仍需对建筑木结构进行防
3、火设计。其实现途径为火灾下进行(对应设计耐火极限)构件耐火承载能力验算,如对设计耐火极限为 1.00 h1的木构件,根据炭化速率剥离受火过程产生的炭化层,考察残余截面构件的承载性能。对于承重墙体等构件,耐火完整性和隔热性失效判定准则也应同时满足2。因此,对“标准升温曲线-设计耐火极限”耦合作用后炭化层厚度的准确估算是极其重要的。通过小截面花旗松原木梁构件耐火试验对失效发展过程、耐火极限、破坏模式、温度场分布,特别是对综合炭化特征进行初步研究,为相关研究及标准提供思路、建议。1当前研究简述欧洲规范3采用强度折减法和剩余截面法计算受火构件的残余承载力。前者假定构件截面面积不变,构件整体强度随温度折
4、减退化,后者通过残余有效截面考察构件的承载力退化。显然后者有更好的接受度。对于残余有效截面,不同学者对自火灾环境向构件内部的层次划分仍存在不同意见,如 KNIG J4将受火构件 截 面 划 分 为 炭 化 区 和 原 始 区(残 余 有 效 截 面);BUCHANAN A H5则将截面划分为炭化区、高温分解区和原始区;而 JANSSENS M L6则更精细地将截面划分为炭化区、高温分解区、干木区、蒸发区和湿木区。显然文献 6 的划分更近于实际,在高温分解区内木材的力学性能是退化的,但从受火后构件截面辨识的难易程度和工程防火设计的安全储备看,文献 4 的划分有更好的适用性。陈玲珠等7对木材炭化速
5、度的试验类型进行了总结,包括使用小锥对木材小样采取恒定热辐射方法、标准耐火试验炉构件试验方法和全尺寸建筑结构模拟火灾试验方法。显然小锥试验更适宜探索木材、木质的炭化过程机理,但对于原木材料匀质性较差的建材,如木节子和裂纹类的缺陷可能无法被小锥尺度试验所取样。同样开展全尺寸建筑试验耗费较大,难于复现。因此,从同批次构件中抽取样件进行标准耐火条件测试是综合评价构件耐火性能的较好方法。许清风等8针对新旧花旗松木梁开展了三面受火后力学性能研究,火灾试验阶段采用拨风灭火方式,测得 4组木梁水平方向平均炭化速率为 0.98 mm/min,竖直方向平均炭化速率为 1.08 mm/min,部分试件梁底炭化情形
6、已较为不规则,如 75N20、100N30;通过新旧花旗松四面受火短柱试件火灾后剩余承载力研究9发现,炭化层使木柱的长细比增加,甚至由裂缝等因素诱发炭化不均匀(截面炭化不对称、通高炭化不对中),导致轴压破坏转为偏压破坏。这从侧面说明了从整体构件层面评价耐火或火灾后性能的重要性。倪照鹏等10对木构架墙体(7榀)、木构架楼板(2 榀)、木构架吊顶(1 榀)、胶合木梁和柱(各 1根)开展了标准耐火测试研究,指出胶合木梁的竖向炭化速率远大于水平炭化速率及预期值,达到 2.23 mm/min,可能是热力耦合下梁底炭化层分层脱落,导致炭化阶跃深入,具体原因有待深入研究;许清风等11还对传统地仗处理(一麻五
7、灰)的南方松木梁开展了三面受火后力学性能研究,得出地仗处理显著延缓了木梁试件开始炭化的时间,各试件炭化速度竖直方向略大于水平方向;陈方等12开展了胶合木结构实体全过程模拟火灾试验,试验模型平面尺寸为 7.2 m7.0 m,梁底净高为 4.5 m,木垛火源为 1.5 m1.0 m1.5 m,试验后发现火源正上方构件底面炭化深度约为 14 mm,两侧各约 15 mm,表明胶合木结构发生火灾后难于延燃。以上研究表明,通常均使用剩余截面法估算木构件残余承载力,但不同文献报道中的炭化速率存在一定差基金项目:应急管理部消防救援局应用创新项目(2022XFCX24);应急管理部天津消防研究所基本科研业务费项
8、目(2021SJ07,2020SJ08)1217Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9异且不同升温环境的影响较少引起注意,如木结构构件防火设计通常不使用 HC升温曲线,但不排除暴露于类似火灾条件下的情况。综上,本文对不同升温环境下小截面花旗松原木梁开展耐火试验研究。2木梁构件耐火试验2.1试件设计及测点布设选用 3根同批次花旗松木梁构件进行耐火性能试验。梁构件截面均为矩形,规格为 200 mm(高度)100 mm(宽度),长度均为 3 850 mm,表面无任何处理。试件的试验工况见表 1。其中,试件 L0进行常温静载试验,试
9、验获得极限承载力,为确定本批次试件耐火试验加载量提供参考;试件 L1、L2 参照 L0 试件的极限承载力进行加载,分别考察在 HC 升温曲线13和标准升温曲线下的耐火性能,包括失效发展过程、耐火极限、温度场、最终破坏模式、炭化特征等。2.2试验装置及加载制度耐火试验使用水平炉,炉内平面尺寸为 4.0 m3.0 m,高度为 1.5 m,见图 1。梁构件的安装、加载、位移及温度测点断面布置见图 2。图 2中“绿色标记”为 L2试件补充的温度测点断面。图 1水平耐火试验炉系统Fig.1Fire test furnace system梁构件两末端底面通过端板搭装在铰支座上,两铰支座间净跨度为 3 76
10、0 mm。通过分配梁在梁构件的顶面实现净跨度的三分点加载(图 2(a)所示 F),加载用千斤顶。荷载值通过安装在千斤顶上的力传感器采集并反馈至记录仪。在梁跨中及两铰支座对应的梁顶面中心位置布设竖向位移传感器(图 2所示 Dx,x代表第 13只)。在 L1试件长度方向上选取 6个横截面布设温度热电偶,监测受火状态下该断面的内部温度,在 L2试件选取 5个横截面以增加对照测点。11个温度测点横截面位置见图 2(a),各横截面热电偶测点的具体位置见图 3。耐火试验点火前将试件分级加载至预定持荷值后保持荷载稳定 10 min,以消除系统误差。使梁构件实现三面受火(两侧面+底面),其耐火极限判定准则执行
11、 GB/T 9978.1-2008 建筑构件耐火试验方法 第 1 部分:通用需求 规定。2.3试验过程及现象2.3.1试件 L0当试件 L0加载至 40 kN 时,开始发出轻微“咔咔”声,试件表面未见明显裂缝;荷载继续增加至 45 kN 时,伴随着“咔咔”声,加载点附近的试件侧面出现水平向裂缝;荷表 1试验工况Table 1Test plan试件编号L0L1L2“荷载比”为耐火试验构件持荷值与相应常温静载试验试件极限承载力的比值;试件含水率为 14.6%15.9%试验类型常温静载耐火试验耐火试验升温条件-HC升温曲线标准升温曲线荷载比-0.20.2持荷值/kN-1212D11 9251 925
12、D2D3FFL/3L/3L/345633 2177891110梁构件100100100235 23510117894563212002001004355353 760200(a)位移及温度测点位置(单位:mm)铰支座分配梁(b)支承及加载实况图 2梁构件安装布置图Fig.2Installation and layout of beam elements503325200T1T1s503350200T2T2s5033100200T3T3s100(a)1-1/7-75033200150T4T4s5033200175T5T5s100100T6T720010010050(d)4-410-10(e)5-
13、5/11-11(f)6-6(c)3-3/9-9100100(b)2-2/8-8图 3各横截面热电偶测点位置Fig.3Location of thermocouple measurement points1218消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期载继续增加至 60 kN 时,伴随着明显的“啪”声,荷载突然下降,试件跨中纯弯段受拉区(两加载点间)出现多条水平向裂缝,且在跨中出现竖向裂缝,如图 4(a)所示;在荷载降至 21 kN 后持荷状态趋于稳定,继续增大荷载时,试件跨中挠度增长速度明显加快;当荷载再次增大至 35 kN,即使调整油压亦不能将荷载保持在 35 kN 以上,此时
14、试件的跨中挠度持续增大。最终,试件在一侧加载点附近折断,试验结束。图 4(b)以侧向俯拍视角展示了试件L0的最终破坏形态。2.3.2试件 L1试件 L1 受火过程中,在试件与水平炉钢盖板的贴合处有白色烟雾冒出。试验终止后将试验炉盖拆离,发现试件梁端仍存有局部明火且伴有阴燃现象,致使梁端继续炭化。在短时间内尽可能熄灭可见余火,取出试件后移至室外地面自然冷却,发现其全长范围内炭化严重,但无明显开裂或折断等破坏特征,如图 5所示。(a)受火后原位(b)梁端(c)整体图 5试件 L1受火后形态Fig.5Failure pattern of L1 after fire exposure2.3.3试件 L
15、2试件 L2 受火过程中,在试件与水平炉钢盖板接缝处有白色烟雾冒出。试验终止后,拆离炉盖并及时取出试件,发现试件全长受火面炭化明显,跨中出现明显弯曲变形,自然冷却后最终破坏形态如图 6所示。(a)受火后原位(b)整体图 6试件 L2受火后形态Fig.6Failure pattern of L2 after fire exposure2.4变形结果及分析2.4.1试件 L0试件 L0 的荷载-跨中净挠度(F-d)曲线见图 7。荷载加载至 60 kN 过程中,d 基本呈线性变化。达到 60 kN后,仅维持数秒便出现荷载骤降,伴随试件跨中纯弯段受拉区出现多条水平向裂缝、跨中出现竖向裂缝现象,此后,荷
16、载无法保持在 35 kN 以上。因此将试件 L0 常温下的极限承载力确定为 60 kN。2.4.2试件 L1试件 L1的跨中净挠度 dT发展过程见图 8。开始受火后,dT缓慢增大;受火前 15 min,dT基本呈线性变化,此后dT增长速度加快;受火 17 min时,dT达到 177 mm,超过了挠度准则 D,同时千斤顶油压下降,试件不能继续维持承载,试验终止。相应的挠度变化率 dT发展过程见图 9,即将图 8 中dT值以分钟为间隔进行差值。在受火 14 min后,试件 L1的 dT持续在 7.85 mm/min 以上。受火 16 min 后,试件L1 的跨中挠度超过 L/30,变形速率判定准则
17、可以使用。综上,试件 L1的耐火极限取整为 17 min。2.4.3试件 L2试件 L2 的跨中净挠度 dT发展过程见图 10。开始受火后,dT缓慢增大;随着受火时间的推移,dT增长呈加速趋势;受火 23 min 时,dT达到 185 mm,超过了挠度限值D;受火 24 min后,千斤顶油压下降,试件不能继续维持承梁顶侧面水平裂缝加载点梁顶侧面(a)受荷 60 kN状态(b)最终破坏状态图 4L0试件的破坏形态Fig.4Failure pattern of L0d/mm0 20 40 60 80 100 120706050403020100F/kN60.5 kN图 7试件 L0荷载-跨中净挠度
18、曲线Fig.7Load-net mid-span deflection curve of L0时间/min0 4 8 12 16 20200150100500dT/mm17 min,177 mmD=176.7 mm16.5 minL/30=125.3 mm图 8试件 L1净挠度-时间曲线Fig.8Net deflection-time curve of L11219Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9载,试验终止。相应的挠度变化率 dT发展过程见图 11。在受火 15 min 后,试件 L2 的 dT持续在 7.85 mm
19、/min 以上。受火19 min后,试件 L2的 dT超过了 L/30,此时,根据变形速率判定准则可以确定试件失效。综上,试件 L2的耐火极限取整为 20 min。时间/min0 5 10 15 20 254035302520151050dT/mm/min15 mindD/dt=7.85 mm/min图 11试件 L2挠度变化率-时间曲线Fig.11Deflection rate-time curve of L22.5温度结果及分析2.5.1试件 L1试件 L1的温度-时间曲线如图 12所示。图 12中 HC为碳氢升温曲线,其余为热电偶实测温度-时间曲线。其中,T1T5 为试件内部测点,反映试
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 花旗 松原 木梁 构件 耐火 试验 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。