木-鋼梁板組合結構耐火性能研究

劉永軍,莊喜弘,郭世慶

(沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧 沈陽 110168)

木結構建筑因其綠色環保、造價低廉且取材方便,在村鎮建筑中尤其是我國西南部村寨中占據主流。我國傳統村落中,常見木結構建筑的木梁通常裸露在外,沒有任何防護,木質樓板也常以一層木板進行簡單拼接而成,這種結構形式在火災發生后,火勢極易迅速蔓延,在短時間內就完全喪失承載能力,造成木質房屋倒塌。由此可見,解決村鎮木結構房屋發生火災后傳統的木梁和樓板易燃燒倒塌的問題,關系到村鎮社會的穩定和經濟建設,應該引起重視[1-3]。因此,為了提高木結構耐火時間,減少居民生命財產損失,研究如何提高木結構建筑尤其是木梁和樓板的耐火性能具有重要意義。

近年來,國內外很多學者對提高木結構建筑耐火性能、延長耐火時間和受火后的力學性能等進行了大量研究。E.M.Fonseca等[4]通過在木板中夾入鋼板進行耐火性能研究,研究表明,鋼板在一定程度上隔絕了火源和木材的接觸,增加了耐火時間,但高溫會導致鋼板附近的木材焦化嚴重。L.R.Richardsonl等[5]設計了在樓板下放置石膏板的形式來延長樓板的耐火時間,但石膏板質量大,對樓板的支撐能力產生一定的負擔。許清風等[6]對木梁三面受火的力學性能進行研究,得出不同受火時間木梁承載能力有明顯降低,幅度在2%～95%。蔡炎等[7]對木梁溫度場及受火后力學性能進行分析,得出木梁截面尺寸的變化對受火后剩余承載力影響較小,受火時間對受火后剩余承載力影響較大。

大部分研究多采用在木結構上加裝鋼板或者石膏板增加木結構的耐火性能,對利用薄鋼板增加木梁和樓板的耐火性能研究很少。因此,筆者提出一種木-鋼梁板組合結構,并參考許清風[8]三面受火耐火極限試驗研究,根據我國現行國家標準《木結構設計規范》(GB50005—2005)和《建筑設計防火規范》(GB50016—2014),設計了木-鋼梁板組合結構和普通杉木梁板組合結構在同等條件下的火災對比耐火試驗。研究表明,木-鋼梁板組合結構中薄鋼板有效阻礙了火源熱量向木材輻射,減少了木梁和樓板炭化速率,增加了其承載能力;該結構工藝簡單,節能環保且造價,以較小的消耗換取木梁和樓板翻倍的耐火性。

1 試 驗

1.1 試驗爐及火源設計

試驗爐的長×寬×高為4.2 m×2.8 m×1.6 m,用耐火紅磚砌成。分成左右兩個爐膛,左邊爐膛上方搭設新型木-鋼梁板組合結構作為試驗組,右邊爐膛上方搭設普通木質木梁和樓板作為對照組。設計兩組熱釋放相同的火源[9]分別放置于兩個爐膛中。模擬自然火災情況,在試驗組和對照組構件下方設置相同數量的木垛,每組木垛采取細木條橫豎交替擺放的方式,橫向和縱向的細木條均為800 mm,每層放置5根木條,一共20層,每組細木條的數量為100根。木垛每隔兩層就在縫隙里塞入碎布條,以便木垛能夠更快地被點燃。

1.2 試件設計

考慮現實原因只允許進行一次火災試驗,為進行全面研究獲得更多試驗數據,本試驗設計采取外包鍍鋅鋼板的單根木梁和外包鍍鋅鋼板的兩根物理拼接木梁混合搭建的方式。試驗構件木梁和樓板參考貴州省榕江縣高赧村一木結構房屋建筑的木梁和樓板,該木質房屋木梁直徑為10 cm左右,樓板厚度為26 mm左右。根據實際情況足尺選取試驗木梁和樓板。木梁直徑選取(100±20)mm,木板厚度選取26 mm。

筆者設計了兩組木梁-樓板組合結構,進行相同火源條件下的火災對比試驗。一組為木-鋼梁板組合結構:選取5根直徑為(10±2) cm,長2.8 m杉木作為木梁,其中兩根利用粗鐵絲并排捆綁起來作為本試驗主要研究的物理拼接木梁。木梁外部包裹厚0.4 mm的薄鋼板,間隔55 cm放置在試驗爐左側。木梁上方依次搭設厚26 mm木板、厚0.4 mm鋼板和厚26 mm木板作為試驗組樓板(見圖1)。另一組為純木質結構:4根相似尺寸的杉木梁,以同樣的間距放置于試驗爐右側,上方搭建一層厚度26 mm的木板(見圖2)。為了方便分析,將木梁進行編號,從左到右依次為M1～M8,其中M3為物理拼接木梁。為防止木梁和樓板拼接留下的縫隙在試驗過程中有火焰冒出,影響試驗結果,設計用木板將縫隙封死(見圖2)。

圖1 復合樓板及復合托梁Fig.1 The composite floor slabs and composite joists

圖2 傳統樓板和傳統托梁Fig.2 The traditional floor slabs and traditional joists

1.3 測點布置與測試內容

為了使熱電偶測量的溫度數據更有代表性和科學性,測點設置在木梁中段,受火源溫度影響最大的位置。由于木梁圓心處離各受溫表面距離相等,測量數據更有代表性,所以選取木梁截面圓心處布置熱電偶測點。為了更好地獲得木梁不同深度位置的溫度變化曲線,在試驗組(左半部分試件)和對照組(右半部分試件)分別選取一根木梁,測量木梁截面半徑1/2處的溫度變化。為了更好更全面地研究樓板的受火情況和溫度變化情況,在樓板面的前半部分和后半部分分別布置熱電偶。同時在鍍鋅鋼板上下均布置熱電偶,以研究試驗組鍍鋅鋼板對樓板耐火性能的影響。

本試驗采用布置熱電偶的方式測量試件溫度,共布置熱電偶測點18個,布置點位如圖3所示。測點1～8為木梁測點,各測點均放置在木梁長度的1/2位置處。其中1號測點布置于木梁組合M3中左側圓木梁截面半徑的1/2處,2、3號測點布置于木梁組合M3中兩個木梁的圓心處,4號測點布置于木梁組合M3兩根梁的切點處,5號測點布置于木梁M2的圓心位置。7、8號測點分別為木梁M6和木梁M7圓心處的測點。9號測點布置于木梁M6圓截面半徑的1/2處。測點10～14為樓板測點,布置位置如圖所示。測點15～18為爐溫測點,分別布置于木梁M2、M3、M6、M7的最下端[10]。

圖3 試驗裝置與溫度測點示意圖Fig.3 The schematic diagrams of experimental setup and temperature measurement points

為確定熱電偶的具體位置,以O點位置為坐標原點(O點位置為樓板左上角垂線與試驗爐子的上表面的交點)。建立空間直角坐標系,其中Δx、Δy、Δz分別代表各點在軸上的坐標值。其中正視圖為XZ軸,左視圖為YZ軸,俯視圖為XY軸(見圖3)。各熱電偶測點的具體坐標如表1所示。

表1 熱電偶坐標Table 1 The coordinates of thermocouples

1.4 荷載設計

為了模擬出真實木屋屋頂的荷載,在試驗組和對照組樓板上方均勻放置紅磚,以此測試梁板結構的抗壓強度。在試驗構件上方放置磚塊作為荷載,在M2、M6、M7木梁上方樓板上放置一排兩層磚塊,M3即物理拼接木梁上方放置兩排兩層的磚塊,其余木梁上方樓板上放置一排一層磚塊,并在木梁與木梁之間的樓板上放置一排一層磚塊,一排10塊。試驗組共放置110塊磚,總質量約300 kg,對照組共放置90塊磚,總質量約240 kg。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

試驗初期,試驗組底層樓板被燒至碳化,頂層木板完好。對照組樓板底部碳化較快,樓板上方可以觀察到木板接縫處有明顯燒焦痕跡,并伴隨大量煙塵涌出(見圖4)。

圖4 試驗初期現象Fig.4 The phenomenon of initial test

試驗中期,試驗組底層木板幾乎被燒至脫落,但頂層依舊完好,未見碳化痕跡。木梁頭尾截面處有被輕微熏黑的痕跡。對照組樓板已經被燒穿,木梁中段處被燒至幾乎完全碳化,且中部橫截面積明顯小于端部,木梁M6、M7中段有明顯的向下形變(見圖5)。

圖5 試驗中期現象Fig.5 The phenomenon of medium test

試驗后期,試驗組整體結構沒有較大的形變,整體結構仍保持完整。對照組樓板已完全燒塌,樓板上方作為荷載的磚頭已經幾乎全部掉落爐膛中。由于試驗當天風向為東南風,而火爐通風口朝向東方向,導致對照組木梁M6先于其他木梁被燒斷,掉入爐膛中(見圖6)。

圖6 試驗末期現象Fig.6 The phenomenon of terminal test

2.2 試驗爐溫度-時間曲線分析

根據爐溫的熱電偶測點數據繪制溫度-時間曲線如圖7所示?？梢钥闯?四組木梁M2,M3,M6,M7下方火焰溫度曲線大致相似,試驗前期溫度上升速率和后期溫度下降速率也基本相似。

圖7 爐溫曲線Fig.7 The curves of furnace temperatures

2.3 樓板溫度-時間曲線分析

樓板各測點溫度-時間折線如圖8所示。由圖可知,樓板的每個測點溫度曲線都是先上升后下降的趨勢,滿足自然火災溫度變化曲線。由于試驗當天風向為東南風,爐膛里的火焰被風吹歪,導致樓板后方的火勢比前方大,所以樓板溫度-時間曲線中,試驗組第一層和第二層樓板后部溫度峰值都超過前部樓板。

圖8 樓板測點溫度-時間曲線Fig.8 The temperature-time curves of the floor measurement points

2.3.1 測點9、11、13的溫度變化對比分析

測點9是試驗組第一層樓板前部的測點,測點11是試驗組第二層樓板的前部的測點,測點13是對照組木板前部的測點。這幾個測點相對位置相似,因此,筆者對這三個測點測得的溫度變化數據進行對比分析(見圖9)。

圖9 測點9、11、13溫度-時間曲線Fig.9 The temperature-time curves at measuring points 9,11,13

由圖可知,測點11在27～32 min的時間段里有很大的溫度波動,與試驗前預測的平滑曲線嚴重不符,結合試驗分析得出:該時間段試驗組樓板組合中薄鋼板下方的木板被火源點燃,處于燃燒狀態,與薄鋼板接觸導熱,使溫度迅速上升,一段時間后薄鋼板下方木板燃燒至碳化然后掉落,導致突然沒有熱源,而同時測點11上方有冷空氣經過,導致溫度急速下降。此時間段數據波動異常,故不予對比分析。

對比分析可知,測點9和測點11在32～56 min溫度變化曲線基本吻合,但溫度卻相差200 ℃左右。據此得出:試驗組第一層樓板與第二層樓板之間的薄鋼板對隔絕火源,降低上層木板的受熱溫度有顯著作用。

2.3.2 測點10、12、14的溫度變化對比分析

測點10、12、14都是測量樓板后部溫度的熱電偶測點,對它們測得的數據進行對比分析(見圖10)。由于風向原因,導致樓板后方的火勢較大,所以測得樓板后部的溫度比木板前部溫度高。

圖10 測點10、12、14溫度-時間曲線Fig.10 The temperature-time curves at measuring points 10,12,14

對照組樓板在30 min時達到最高溫度586.9 ℃后,溫度迅速下降。而試驗組第一層樓板在48 min時才達到最高溫度843.1 ℃,說明試驗組第一層樓板比對照組樓板耐火時間多了18 min。這個結果和上面分析測點9、11、13得出的結果相一致,說明火勢大小對新型復合樓板的耐火延長時間影響較小。

試驗組第二層樓板在49 min時溫度達到峰值714 ℃后,先是急劇下降了145 ℃,然后緩慢下降,但緩慢下降段溫度始終比同時刻的試驗組第一層樓板溫度高約200 ℃。分析溫度劇烈下降的原因:測點12下方的第一層樓板燒塌,導致突然沒有直接接觸的熱源;溫度緩慢下降但仍比第一層高200 ℃說明第二層木板仍然沒有燃燒,只是被高溫炙烤到部分碳化,所以仍保持著高溫。

2.4 木梁溫度-時間曲線分析

木梁各測點溫度-時間折線圖如圖11所示。由圖可知,測點6和測點8溫度隨時間波動較大,其他測點溫度變化較為平緩。

圖11 木梁測點溫度-時間曲線Fig.11 The temperature-time curve of the wooden beam at the measuring points

測點6測量的是木梁M6的圓心溫度,測點8測量的是木梁M7的圓心溫度。木梁M7圓心溫度在41 min時達到了峰值溫度664.4 ℃,木梁M6圓心溫度在67 min時達到峰值溫度563.5 ℃。遠遠高于其他測點的最高溫度,說明對照組這兩根木梁在模擬火災試驗中已經完全燃燒起來。而M6比M7晚了26 min才達到峰值溫度,并且峰值溫度低100.9 ℃的原因是環境風向使M7下方火源火勢更加旺盛使M7燃燒更快,且隨著時間推移燃料減少使火勢慢慢下降,使木梁達到的峰值溫度降低。

根據溫度-時間折線圖中測點2,測點3和測點5的數據顯示,可以看出這三處測點的溫度始終較為平緩,最高溫度沒有超過100 ℃,遠遠低于木材的最低燃點250 ℃。并且溫度始終低于其他幾組測點的溫度。這幾組數據測量的都是試驗組包裹薄鋼板的木梁的圓心處溫度,位置位于木梁長度1/2處。對比上方分析木梁M6、M7圓心處測點的溫度波動情況可知,新型物理拼接木梁的耐火性能遠遠高于傳統的普通杉木梁,在高溫火災的情況下,沒有被引燃,整體結構幾乎沒有變形。

結合文獻[11]的木梁抗火分析,并根據上述試驗結果分析得出:新型物理拼接木梁擁有更好的耐火性能,極大延長了木梁在火災情況下的支撐時間,對比傳統木梁有更好的應用價值。

2.5 樓板和木梁炭化深度的結果及分析

結合文獻[12]對木材炭化機理的研究結果,對本試驗木質樓板和木梁的炭化結果進行分析。

2.5.1 樓板的炭化

在試驗70 min后,對照組的樓板已經完全燒毀。試驗組第一層樓板除了在包裹薄鋼板的木梁上方還有一些殘留外,也完全燒毀。試驗組第二層樓板從外觀上來看除了木板與木板的拼接處有些許炭化痕跡外,整體依舊十分完好。將試驗組第二層樓板與薄鋼板分離開來,觀察第二層樓板近火面的炭化程度。發現第二層樓板與下方木梁接觸的部分炭化程度很小,特別是前部分由于是弱火側,木板完全沒有炭化,仍呈現木質原色。

選取強火側13號木板進行觀察,13號木板炭化深度前側為1 cm,后側為1.1 cm,取平均值為1.05 cm(見圖12)。試驗用木板的平均厚度為2.5 cm,可見試驗組樓板在經過70 min火災試驗后,炭化深度不到原有木板厚度的一半,整體結構仍有相當的強度可以支撐保證不塌陷。經過試驗后壓力測驗,試驗組木板整體仍至少承量約200 kg。木-鋼復合樓板耐火性能和受火后剩余承載力較傳統樓板有顯著提高,與文獻[13]的研究結果一致。

圖12 13號木板炭化深度Fig.12 The carbonization depth of No.13 plank

2.5.2 木梁的炭化

對照組木梁M5和M7后段已經被燒斷,木梁M6和M8雖然沒有燒斷但也炭化程度嚴重,通過尺子測量,去除炭化層后只殘留2～6 cm的木心,且最大處位于端部,對支撐整體結構毫無作用,已經失去能夠支撐住樓板及荷載的強度(見圖13(a))。

參考文獻[14]中分析方法,對受火后的試驗組木梁進行分析。試驗組木梁從包裹的薄鋼皮中拆除出來后,炭化深度較淺,只有外表面一層炭化,平均炭化深度不超過1 cm,木梁部分表面仍呈現木質原色(見圖13(b))。試驗組木梁仍保有很大的抗壓強度,在試驗后進行壓力測試中,至少能夠支撐住三個成年人共計約200 kg(見圖14)。這與文獻[15]中木梁受火后受彎承載力試驗的結果相似。

圖14 試驗后剩余承載力測試Fig.14 The remaining bearing capacity test after the experiment

將試驗組木梁分別在長度的1/2處,1/4處和1/8處截斷,一根木梁分為6段,分別測量截面的炭化深度。取標志性的M2和M3組木梁進行測量,可見M3組各截面的最大炭化深度分別為0.7 cm,1.0 cm,0.5 cm,0.6 cm,0.5 cm,平均炭化深度為0.66 cm,最大值為1.0 cm(見圖15)。

圖15 M3組木梁炭化深度Fig.15 The carbonization degree of the beams in the M3 group

參考A.Firmanti等[16]研究的應力水平與木材炭化深度之間的關系,試驗組中木梁M2,M3的炭化深度十分平均,波動在±0.5 cm,和試驗組試驗后木梁兩頭粗中間細的狀態有很大差距。經火災試驗后,試驗組木梁仍能夠有較好的支撐能力,這更進一步驗證了試驗組的物理拼接木梁較傳統普通木梁有更好的耐火性以及在火災下有更長的耐火支撐時間。

3 結 論

(1)在相同試驗條件下,22 min 34 s時,對照組的樓板后部開始冒出火焰;25 min 22 s時,對照組樓板大面積起火;33 min 40 s時,對照組樓板后半部燒塌;45 min 52s時對照組樓板完全燒塌,而試驗組一直到試驗結束仍沒被破壞。對照組木梁試驗過程中有兩根燒斷,試驗組的梁板結構相對完好,在試驗結束后仍能承載約200 kg。木-鋼梁板組合結構的火災后抗倒塌性能和剩余承載力遠遠優于傳統木質梁板。

(2)通過溫度-時間曲線分析,試驗組曲線均較為平緩,對照組溫度波動很大。研究表明,木-鋼梁板組合結構耐火時間相較于傳統木質梁板結構至少增加了30 min。試驗組的木-鋼梁板組合結構擁有比傳統木梁更優秀的耐火性能和更長的耐火時間。

(3)試驗組中木-鋼梁板組合結構通過外包鍍鋅板的方式使被包裹其中的木質梁板炭化層厚度和炭化速率遠低于傳統木質梁板體系,木梁的炭化深度平均減少了2.5 cm,木板炭化深度平均減少了1.6 cm。證明鍍鋅鋼板通過隔絕火焰的方式提高了木-鋼梁板組合結構的耐火性能,顯著減少了木梁和樓板的炭化深度。