火焰高度在傳統木構建筑榫卯燃燒試驗中的變化

■ 郭曉朝 李萍 李智 西南林業大學土木工程學院

傳統木構建筑雖然結構牢固、建造形制多變，但致命弱點就是可燃材料多、耐火等級低，遇火災極易被燒毀。尤其是其結構力學構件榫卯節點一旦被燒，極易造成整體建筑坍塌的嚴重結果。建國以來，我國就有18處古建筑被燒毀坍塌，均與此有直接關系。

國外針對木結構構件連接處抗火性能進行了相關研究。Andrea Frangi 等對均勻木層板的火災特性進行了研究，發現在高溫下的粘接劑會導致木材炭化率的提高[1]。Lennon 等進行了實木梁與實木板、工字型木梁搭配刨花板及鋼網片加固木梁與木板受火后倒塌性能試驗[2]。Maxime Audebert 等對鋼與木材的連接進行了火災下試驗，并建立了三維有限元模型[3]。Joachim Schmid 等對木構構件進行了耐火試驗，發現了彎曲木材構件在火災狀態下的相關力學性能[4]。雖然國外的木結構研究在結構、材料等方面與我國木構民居存在著較大的差異，但是其試驗理念和方法仍然值得我們借鑒與學習。

我國針對民居木構的抗火性能的研究主要有試驗研究及計算機模擬研究兩種。試驗研究采用實體或比例模型進行實際的點火試驗，直接對火災發展、煙氣蔓延進行觀察，通過對試驗中記錄的溫度、濃度等數據進行分析來研究其火災特點，提出防火保護[5-8]。具有代表性的是張晉教授的課題組對兩面受火木柱、三面受火木梁、燕尾榫節點、螺栓-鋼填板節點、榫卯連接框架、鋼填板連接框架、鋼填板連接斜撐框架等，進行了不同受火時間，以及耐火極限試驗，研究提高了我國木結構抗火研究的水平[9-16]。試驗會遇到經費投入、人力和物力的巨大耗費及周期長等許多困難，而計算機模擬恰好克服了前面方法的弱點。各學者利用計算機模擬分別從阻燃材料、消防設施、人員疏散對傳統民居和古建筑中火勢蔓延及煙氣運動的特性方面開展了研究[17-21]。

本文選用云南傳統木構建筑中廣泛使用的燕尾榫、十字箍頭榫、半榫和饅頭榫四種不同榫卯（見表1），分別采用垂直燃燒和節點燃燒點火方式，在不同加固方式下進行燃燒試驗，分析火焰高度在試驗中的變化，從而得到各種榫卯的抗火性能次序。

表1 四種榫卯結構的數量及尺寸

一、材料與方法

經調查發現云南傳統木構建筑主要以云南松為主要木材，因此，試驗用云南松制作了相應的榫卯節點。自制試驗平臺提供點火源，通過控制煤氣的量來控制火焰的高度，并且添加兩臺固定功率電爐給予相應的熱輻射，電爐距離榫卯的距離為400mm，此距離下電爐的熱輻射為2.0kW/m2，環境的溫度為25℃，進行熱輻射后榫卯的溫度53℃～58℃之間。

二、不同點火方式對榫卯抗火性能的影響

（一）榫卯垂直方向燃燒時不同榫卯燃燒試驗

選用燕尾榫、饅頭榫、半榫及十字箍頭榫從榫卯垂直方向進行點火燃燒，模擬延燃狀態下的榫卯燃燒過程。對火焰高度進行測量，如下圖1 所示。

圖1 不同榫卯垂直燃燒時火焰高度隨時間變化

各榫卯均表現為火焰高度會隨時間變化而升高，且峰值都在3 ～4min 時出現。當達到峰值后會隨時間的變化而下降，到10min 之后火焰高度開始趨于平緩。最終各榫卯火焰高度都維持在5cm 左右。各榫卯的燃燒峰值不同，火焰高度極值統計見表2。

表2 不同榫卯垂直燃燒火焰高度極值

由以上數據可知在延燃狀態下十字箍頭榫燃燒最為充分，而饅頭榫燃燒相對較緩慢。

（二）榫卯直接受火時不同榫卯燃燒試驗

選用燕尾榫、饅頭榫、半榫及十字箍頭榫直接受火作用下燃燒，模擬點燃狀態下的榫卯燃燒過程。對火焰高度進行測量，如下圖2 所示。

圖2 不同榫卯直接受火時火焰高度隨時間變化

從圖中可以看出十字箍頭榫的火焰高度在同一時刻幾乎都高于其他的榫卯，這主要與它的結構有關。十字箍頭榫結構復雜，與空氣的接觸面積大，所以燃燒更激烈，火焰高度相應地會高于其他的榫卯。燕尾榫、半榫、饅頭榫的火焰最高值都在6min 前后出現，而十字箍頭榫的火焰最高值在12min（快燒壞）時出現。各榫卯的最高與最低火焰值、燒壞時間及火焰平穩后火焰高度的波動區間見表3。

表3 不同榫卯直接受火時火焰高度極值及損壞時間

由以上數據可知直接受火時十字箍頭榫燃燒同樣最為充分，而燕尾榫燃燒相對于延燃工況下較緩慢。

三、不同加固方式對榫卯抗火性能的影響

為了讓木建筑更加的耐用，對木構件的連接處進行加固，可以提高其抗震、抗燒、抗壓等性能。在木構建筑中常用的加固方式有：扒釘加固、鋼箍加固、鋼絲加固、扁鋼加固、碳纖維布加固等。本試驗中主要選取鋼絲加固和扒釘加固作為試驗對象。

（一）垂直方向燃燒時不同加固方式榫卯燃燒試驗

加固榫卯的火焰高度隨時間的變化火焰高度同樣逐漸升高，但峰值相對于不加固時推遲了1 ～2min 出現。對于燕尾榫，加固方式會影響其燃燒過程。從圖3 可以看出，扒釘加固方式相對于鋼絲加固方式對燕尾榫的抗火性能影響很大，不僅在燃燒初期使得火焰高度超過鋼絲加固方式1 倍，且在燃燒中后期也能持續影響。但是饅頭榫使用鋼絲加固或者扒釘加固方式影響相對較小。

圖3 垂直燃燒時不同加固方式榫卯火焰高度隨時間變化

由表4 可知，當使用燕尾榫建造時，鋼絲加固方式有利于燕尾榫本身的抗火性能。

表4 垂直燃燒時不同加固方式不同榫卯火焰高度極值

（二）直接受火時不同加固方式榫卯燃燒試驗

燕尾榫同樣表現出鋼絲加固節點抗火性能優于扒釘加固節點。在同一時刻扒釘加固的火焰高度普遍高于鋼絲加固。扒釘加固的火焰高度先隨時間的變化而升高之后逐漸趨于平緩。而鋼絲加固的火焰高度剛開始的時候火焰隨時間的變化起伏不大，在13min 之后火焰高度迅速升高。（見圖4）

圖4 直接受火時不同加固方式榫卯火焰高度隨時間變化

而饅頭榫直接點火下鋼絲加固方式反而導致了火勢的擴大。扒釘加固相對穩定。不同加固方式的榫卯在節點燃燒中最高與最低火焰值、燒壞時間數據見表5。

表5 直接受火時不同加固方式榫卯火焰高度極值

因此燕尾榫在傳統木構建筑中優先選用鋼絲加固方式以利于其抗火性能。而饅頭榫在直接受火狀態下應優先選用扒釘加固。

四、結語

（一）通過進行燕尾榫、半榫、十字箍頭榫及饅頭榫進行延燃狀態及直接受火狀態下燃燒試驗，得到十字箍頭榫在兩種情況下均燃燒充分，而饅頭榫在延燃狀態下最緩慢，燕尾榫在延燃工況下最緩慢。

（二）進行加固方式后榫卯燃燒過程總體趨勢不變，但火焰高度峰值出現時間推遲了1 ～2min。

（三）使用燕尾榫建造時，扒釘加固方式會促使火焰延燃，而鋼絲加固方式一定程度上能有利于燕尾榫本身的抗火性能。

（四）在直接受火狀態下，饅頭榫鋼絲加固方式反而導致了火勢的擴大。而扒釘加固方式與不加固方式下直接受火基本一致。