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近年来,随着我国林业资源的发展和全球经济一体化进程的加速,木结构建筑在我国复苏并得到一定程度的发展,对木结构的研究力度也有所加强。我国每年均发生相当数量的木结构和砖木结构火灾,导致大量的人员伤亡和生命财产损失。而长期以来我国关于木结构的火灾性能和防火设计方法研究比较缺乏,与发达国家存在较大差距,因此加强木结构火灾研究很有必要。
本文在上海市科技启明星计划项目(07QB14031)资助下,以木材火灾炭化速度和木构件火灾性能试验为主展开了相关研究。本文主要内容及结论如下:
(1)针对我国木结构火灾居高不下的现状,在国外已有研究资料基础上,制定适合我国国情的基于炭化速度的木结构火灾试验内容。
(2)进行了木梁和木柱构件在标准升温曲线下的火灾试验。结果发现,受火后木梁和木柱表面炭化后沿纹理方向和垂直纹理方向均出现很多纵横裂缝;截面受火角部由于遭受双向热传递而变为弧形;受火后截面按颜色可分炭化层、高温分解层和常温层三个区域。木梁竖向炭化速度一般略大于水平炭化速度。随受火时间增加,木构件的炭化速度逐渐减小趋向一定值。
(3)进行了15根2米长木梁和10根4米长木梁火灾后承载力试验,研究了火灾后木梁剩余承载力、荷载-位移、截面应变等变化情况。研究表明,受火时间越长,木梁受弯承载力越低,刚度越小;横截面越大,木梁受弯承载力降低程度越小。石灰膏抹面能降低受火木梁承载力下降程度。受火后木梁跨中截面变形基本符合平截面假定。
(4)进行了24根短木柱受火后力学性能的试验,研究受火后短木柱剩余承载力、荷载-位移、延性系数等力学性能变化情况。研究表明,随受火时间增加,短木柱承载力不断下降,下降速度变慢;截面尺寸越大承载力下降程度越小;短木柱受火后其延性系数明显降低。
(5)进行了6根长木柱耐火极限的试验,研究了不同持荷水平和不同表面处理条件下长木柱耐火极限的变化情况,分析了持荷水平、表面处理方式与耐火极限的关系。研究表明,随着持荷水平增加,无石灰膏抹面和有石灰膏抹面试件的耐火极限均显著降低;采用石灰膏抹面保护后木柱耐火极限有所提高,持荷水平越低提高幅度越大;石灰膏抹面能有效延缓木柱开始炭化的时间,降低木柱的炭化速度。
(6)根据木材特性及已有研究成果,运用ANSYS有限元分析软件对木构件进行火灾下温度场模拟。分析结果表明,受火后木梁截面各点温度与截面尺寸、距受火面的距离、受火时间等因素有关,受火时间越长,离受火表面越近,温度上升越快。材料密度越大,截面相同位置处的温度越低,截面温度上升越慢。