考慮中低溫區木材強度劣化的膠合木柱抗火設計方法與流程
2023-07-21 04:51:11 2
本發明涉及膠合木柱抗火設計，具體涉及考慮中低溫區木材強度劣化的膠合木柱抗火設計方法。技術背景木材作為地球生態系統生產的自然資源，屬於負碳性建築材料，因為木材產品固化的碳，比它在生產和使用過程中釋放的碳更多。因此，在建築材料中多選用木材，將有助抑制大氣中CO2含量的增長，減緩全球氣候變暖的趨勢，對人類的生存與發展具有重要的意義。隨著木材加工科技水平的不斷發展，膠合木成取代傳統實木鋸材產品的最佳產品。膠合木是合理利用較小截面的木材製作層板，再膠合製作成的大截面構件，減小了木材天然缺陷對構件強度的不利影響，構件尺寸和形狀突破了天然木材的限制。利用膠合木製造採用梁柱結構體系的重型木結構房屋，具有構件製備經濟高效、外觀愉悅生動親和力強、室內空間布置自由靈活等優點，越來越受到重視。儘管膠合木構件有眾多優點，但由於木材本身具有可燃性，增加了建築中可燃物的數量，加大了危險性。無論傳統建築還是現代建築，火災的發生都會造成經濟損失和人員傷亡，因此，膠合木結構件耐火性能的合理設計有著重大意義。通常膠合木柱承載力損失主要包括2個方面：燃燒炭化引起的有效承載截面面積的降低和未碳化區域內木材的強度劣化。而木材順紋抗壓強度基本由纖維外的木質素確定，當溫度達100℃時，木質素受熱軟化，導致木材順紋抗壓強度降低，溫度升高則重新硬固。當溫度達到300℃以上時，木材碳化而不具強度，因此火場中膠合木柱內中低溫區木材的溫度分布對其順紋抗壓強度影響很大。當前膠合木構件防火設計的依據主要有《建築設計防火規範》(GB50016-2014)和《EN1995-1-2:General-structuralfiredesign》。雖然EN1995-1-2膠合木防火設計規範中考慮了膠合木構件所用木材樹種密度、含水率對木材炭化速率的影響，但是並沒有考慮對構件內溫度場分布的影響；GB50016-2014中僅考慮木材炭化後木構件有效承載截面的降低，但並未考慮中低溫區木材強度的劣化。因此按此兩種標準進行的火災中膠合木柱的抗火性能設計，與火災中膠合木柱的實際有效剩餘截面有較大出入。雖然EN1995-1-2考慮了高溫分解區對木材強度的影響，但該作用區域很小。而受火構件內部中低溫區範圍更大，所以中低溫區木材順紋抗壓強度劣化更應受到重視。而國際上常規的膠合木構件抗火設計更多的是基於足尺試驗，將火災過程中所有強度劣化等效成額外的零強度區域。但是，足尺模型試驗耗費較大，有其特有的局限性。因此，提出一種簡單有效的膠合木柱抗火性能設計方法非常重要。經對比現有技術的文獻檢索發現，目前已有多種建築結構的抗火性能分析方法。這些專利都是建築結構的抗火性能分析方法，分析方法相對比較繁瑣。而本發明則是注重於更具前瞻性的抗火性能設計方法，其方法簡單有效。這些專利與本發明方法比較不同之處在於：(1)公開號為105512394A的中國發明專利，該發明所述的方法主要是針對梁柱式木結構框架整體抗火性能的分析方法。但其分析過程需利用有限元軟體的熱-結構耦合計算，相對比較繁瑣。而本發明著重於膠合木柱的抗火性能設計方法，將火災中膠合木柱的承載力利用木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型等效成常溫下膠合木柱的承載力，進行抗火性能分析。然後再進行膠合木柱抗火性能設計並滿足1小時防火要求。兩者應用的目的有很大區別。同時，該發明採用的木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型與EN1995-1-2的木材強度折減模型有本質的區別。該多階梯簡化模型更符合木材木質素受熱特點，且有效簡單。與本發明相比，其目標，流程和性能均不同。(2)公開號104990793A的中國發明專利，該發明所述的方法主要是針對火災後木結構建築的剩餘承載力評估方法，本發明著重的是通過火災中膠合木柱的抗火性能分析確定膠合木柱的抗火性能設計。兩者應用的目的不同。同時火災後的木材強度與火災中的木材強度也不是同一概念。與本發明相比，其目標，流程和性能均不同。(3)公開號103324797A的中國發明專利，該發明所述的方法主要是高層鋼框架結構整體抗火性能的檢驗分析方法，其評估對象是鋼框架，與本發明中木結構建築材料有這很大的區別。公開號103324797A的專利需要從溫度場到力學場分析結構體系，分析過程十分複雜。而本發明著重的是簡單有效的膠合木柱的抗火設計方法。在仿真模擬方面，有限元模擬軟體對鋼材有材料庫，而木材則需要自定義。技術實現要素：1、發明要解決的技術問題針對現有技術中存在上述缺陷，本發明提供了考慮中低溫區木材強度劣化的膠合木柱抗火設計方法，目的在於提出一種科學、低成本、簡單且精確的膠合木柱抗火設計方法。考慮受火過程中膠合木柱橫截面溫度分布，結合木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型，實現經濟可靠的膠合木柱防火設計方法。該發明可以減少大量足尺構件試驗，降低火災試驗成本，提高研究經濟效率和準確性。2、技術方案為了實現上述目的，本發明採用了如下技術方案：考慮中低溫區木材強度劣化的膠合木柱抗火設計方法，包括以下4個步驟：步驟1：根據EN1995-1-2中規定的木材熱傳導率和比熱熱工性能建立相關的材料屬性，根據實際受火面的情況，設定輻射係數和Stefan-Boltzmann常數，設定膠合木柱表面熱交換和表面熱輻射，採用標準火災升溫曲線，通過有限元分析軟體ABAQUS建立二維熱傳遞模型，確定膠合木柱橫截面溫度場分布；步驟2：基於步驟1的膠合木柱橫截面溫度場分布，根據木質素的受熱特性，利用木材高溫順紋相對抗壓強度多折線劣化規律，根據其中低溫區強度受含水率影響的變化特點，三角形等效成矩形的原理，建立木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型。在膠合木柱橫截面溫度場分布中劃分若干個強度折減區域，然後利用等效面積原理，確定膠合木柱橫截面的等效截面；本發明採用的木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型表達如下：式中：fRC(T)為在溫度T時的木材順紋相對抗壓強度。利用上述木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型，則膠合木柱橫截面的等效截面計算方法如下：Aeq＝(an+0.8amc+0.7adry+0.4ath)(hn+0.8hmc+0.7hdry+0.4hth)式中：an其為寬度方向的正常區域長度(見圖3中標註8)；amc其為寬度方向受含水率影響的長度(見圖3中標註9)；adry其為寬度方向幹木區長度(見圖3中標註10)；ath其為寬度方向高溫熱解區長度(見圖3中標註11)；hn其為高度方向的正常區域長度(見圖3中標註12)；hmc其為高度方向受含水率影響的長度(見圖3中標註13)；hdry其為高度方向幹木區長度(見圖3中標註14)；hth其為高度方向高溫熱解區長度(見圖3中標註15)。步驟3：基於所述步驟2中的計算結果，確定受火過程中膠合木柱的剩餘承載力，根據膠合木柱的設計持載水平，預測耐火極限，實現受火過程中的膠合木柱抗火性能分析；膠合木柱剩餘承載力計算公式如下：式中：為軸心受壓構件穩定係數，Aeq為等效截面面積，fc為實際所用木材的常溫順紋抗壓強度。步驟4：基於所述步驟3中的承載力情況，進行膠合木柱抗火性能設計。所述步驟1中膠合木柱橫截面溫度場分布通過有限元軟體ABAQUS中採用二維熱傳遞建模，使用DC2D4單元。所述步驟1中膠合木柱橫截面溫度場分布的有限元二維傳熱模型，還需根據實際服役環境下膠合木柱的含水率w及所用樹種密度進行確定密度與幹密度比，並且輻射係數取0.8和Stefan-Boltzmann常數取3.402×10-6。所述步驟1中膠合木柱受火表面熱交換的設定為散熱係數1500，表面輻射設定為發射率0.8。所述步驟1中標準火災升溫曲線選取國際標準ISO834規定的標準火災升溫曲線。所述步驟2中若干個強度折減區域為正常區(≤30℃)，含水率影響區(30-100℃)，幹木區(100-200℃)和高溫分解區(200-300℃)。所述步驟3中膠合木柱剩餘承載力公式的fc應取實際所用木材的常溫順紋抗壓強度。附圖說明圖1為膠合木柱抗火性能設計方法組成流程圖；圖2為膠合木柱抗火性能分析流程圖；圖3為火場中膠合木柱橫截面溫度場分布；1-膠合木柱受火前邊緣，2-炭化層，3-炭化線(300℃)，4-高溫分解區(200-300℃)，5-幹木區(100-200℃)，6-正常區(≤30℃)，7-水份影響區(30-100℃)，8-寬度方向的正常區域長度an，9-為寬度方向受含水率影響的長度amc，10-寬度方向幹木區長度adry，11-寬度方向高溫熱解區長度ath，12-高度方向的正常區域長度hn，13-高度方向受含水率影響的長度hmc，14-高度方向幹木區長度hdry，15-高度方向高溫熱解區長度hth。圖4為木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型圖；4-高溫分解區(200-300℃)，5-幹木區(100-200℃)，6-正常區(≤30℃)，7-水份影響區(30-100℃)，16-木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型，17-木材高溫順紋相對抗壓強度多折線劣化模型。圖5為膠合木柱抗火性能設計流程圖。具體實施方法下面結合實施例對本發明進行詳細說明。實施例1：花旗松膠合木柱，花旗松的木材常溫順紋抗壓強度為33.7MPa，密度450kg/m3，含水率w為15％，膠合木柱尺寸為長×寬×高：200mm×200mm×4000mm，設計持載水平為20％，四面受火。根據圖1和圖2進行操作，對其抗火性能設計的步驟如下：步驟1：根據膠合木柱的實際含水率w為15％，密度450kg/m3，根據EN1995-1-2得到木材熱傳導率和比熱熱工性能及密度與幹密度比建立相關的材料屬性，見表1和表2。根據膠合木柱四面受火的實際受火情況，設定輻射係數0.8和Stefan-Boltzmann常數取3.402×10-6。膠合木柱受火表面熱交換的設定為散熱係數1500，表面輻射設定為發射率0.8。採用國際標準ISO834規定的標準火災升溫曲線，通過有限元分析軟體ABAQUS建立二維熱傳遞模型，使用DC2D4單元，得到花旗松膠合木柱橫截面溫度場分布情況。表1木材導熱係數參數溫度(℃)導熱係數(Wm-1K-1)200.122000.153500.075000.098000.3512001.50表2木材比熱和密度比熱工參數溫度(℃)比熱(kJkg-1K-1)木材實際密度/木材幹密度201.531+w991.771+w9913.601+w12013.501.001202.121.002002.001.002501.620.933000.710.763500.850.524001.000.386001.400.288001.650.2612001.650步驟2：根據步驟1中ABAQUS有限元分析軟體得到的花旗松膠合木柱橫截面溫度場分布，根據木質素的受熱特性，利用木材高溫順紋相對抗壓強度多折線劣化模型17，根據其中低溫區強度受含水率影響的變化特點，三角形等效成矩形的原理，建立木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型(如圖4)。在圖4中，木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型16，木材高溫順紋相對抗壓強度多折線劣化模型17，正常區6(溫度≤30℃的區域)，水份影響區7(溫度在30-100℃的區域)，幹木區5(溫度在100-200℃的區域)，高溫分解區4(溫度在200-300℃的區域)。在花旗松膠合木柱橫截面溫度場分布中劃分多個強度折減區域，即為上述的若干個強度折減區域，如圖3所示。然後利用等效面積原理，確定膠合木柱的等效截面，如下膠合木柱的等效截面的計算公式所示。在圖3中，膠合木柱受火前邊緣1，炭化層2(溫度>300℃的區域)，炭化線3(300℃)，高溫分解區4(溫度在200-300℃的區域)，幹木區5(溫度在100-200℃的區域)，正常區6(溫度≤30℃的區域)，水份影響區7(溫度在30-100℃的區域)，an為寬度方向的正常區域長度(見圖中標註8)，amc為寬度方向受含水率影響的長度(見圖中標註9)，adry為寬度方向幹木區長度(見圖中標註10)，ath其為寬度方向高溫熱解區長度(見圖中標註11)，hn為高度方向的正常區域長度(見圖中標註12)，hmc為高度方向受含水率影響的長度(見圖中標註13)，hdry為高度方向幹木區長度(見圖中標註14)，hth為高度方向高溫熱解區長度(見圖中標註15)。本發明採用的木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型表達如下：式中：fRC(T)為在溫度T時的木材順紋相對抗壓強度。利用上述木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型，則膠合木柱的等效截面的計算公式如下：Aeq＝(an+0.8amc+0.7adry+0.4ath)(hn+0.8hmc+0.7hdry+0.4hth)式中：an其為寬度方向的正常區域長度(見圖3中標註8)；amc其為寬度方向受含水率影響的長度(見圖3中標註9)；adry其為寬度方向幹木區長度(見圖3中標註10)；ath其為寬度方向高溫熱解區長度(見圖3中標註11)；hn其為高度方向的正常區域長度(見圖3中標註12)；hmc其為高度方向受含水率影響的長度(見圖3中標註13)；hdry其為高度方向幹木區長度(見圖3中標註14)；hth其為高度方向高溫熱解區長度(見圖3中標註15)。根據該膠合木柱橫截面溫度場分布圖，如圖3所示。在受火時間42min時，an為寬度方向的正常區域的長度(即寬度方向溫度≤30℃的長度)，an＝60mm。同理amc為寬度方向水份影響區的長度(即寬度方向溫度在30-100℃區間內的長度)，amc＝56mm。adry為寬度方向幹木區的長度(即寬度方向溫度在100-200℃區間內的長度)，adry＝8mm。ath為寬度方向水份影響區的長度(即寬度方向溫度在30-100℃區間內的長度)，athc＝6mm。由於該實施例膠合木柱橫截面尺寸是正方形，所以an＝bn,amc＝bmc,adry＝bdry和ath＝bth.。值得說明的是bn為長度方向的正常區域長度，bmc為長度方向受含水率影響的長度，bdry為長度方向幹木區長度，bth為長度方向高溫熱解區長度，在受火時間42min時，Aeq＝(60+56×0.8+8×0.7+6×0.4)2＝112.82＝1.27×104cm2。步驟3：根據已獲得的火災過程中的膠合木柱等效截面，代入如下膠合木柱剩餘承載力公式中：式中：為軸心受壓構件穩定係數，Aeq為等效截面面積，fc為實際所用木材的常溫順紋抗壓強度。常溫承載力計算結果驗算，為0.84，Aeq為1.27×104cm2，fc為33.7MPa，則計算承載力為N＝0.84×33.7×2002＝1135(KN)，試驗破壞力為1190(KN)，計算強度和試驗強度相當接近，說明常溫木材順紋抗壓強度及承載力公式符合要求。膠合木柱在火災試驗中40min時破壞，此時計算承載力為N(40min)＝33.7×0.63×112.82＝270(KN)。而實際持荷強度為240(KN)，結果相當接近。說明該發明具有較為準確的抗火性能分析能力，而相比EN1995-1-2的計算結果更為精確。步驟4：試驗表明持荷20％，在火災中只能維持40min，與該發明計算結果相一致。根據圖5所示膠合木柱抗火性能設計流程，為滿足1小時抗火原則，應適當降低服役荷載或加大柱截面。採用膠合木柱截面尺寸改為220mm×220mm，同樣如上計算，受火60min時，其Aeq＝(50+66×0.8+8×0.7+6×0.4)2＝110.82＝1.23×104cm2，計算承載力N(60min)＝0.62×33.7×110.82＝257(KN)，與持荷強度240(KN)接近。膠合木柱截面尺寸為220mm×220mm時滿足1小時防火設計要求。該方法是有效可行的膠合木柱抗火性能設計方法。實施例2：落葉松膠合木柱，落葉松的順紋抗壓強度為61.3MPa，密度為591kg/m3，含水率w為11.0％，膠合木柱尺寸為長×寬×高：200mm×200mm×4000mm，設計持載水平為65％，四面受火。分析人員操作步驟如同實施例1：步驟1：根據膠合木柱的實際含水率w為11.0％,密度為591kg/m3。根據EN1995-1-2得到木材熱傳導率和比熱熱工性能及密度與幹密度比建立相關的材料屬性，見表1和表2。根據膠合木柱四面受火的實際受火情況，設定輻射係數0.8和Stefan-Boltzmann常數取3.402×10-6。膠合木柱受火表面熱交換的設定為散熱係數1500，表面輻射設定為發射率0.8。採用國際標準ISO834規定的標準火災升溫曲線，通過有限元分析軟體ABAQUS建立二維熱傳遞模型，使用DC2D4單元，得到落葉松膠合木柱橫截面溫度場分布情況。步驟2：根據步驟1中ABAQUS有限元分析軟體得到的落葉松膠合木柱橫截面溫度場分布。根據木質素的受熱特性，利用木材高溫順紋相對抗壓強度多折線劣化模型17，根據其中低溫區強度受含水率影響的變化特點，三角形等效成矩形的原理，建立木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型(如圖4)。在圖4中，木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型16，木材高溫順紋相對抗壓強度多折線劣化模型17，正常區6(溫度≤30℃的區域)，水份影響區7(溫度在30-100℃的區域)，幹木區5(溫度在100-200℃的區域)，高溫分解區4(溫度在200-300℃的區域)。在花旗松膠合木柱橫截面溫度場分布中劃分多個強度折減區域，即為上述的若干個強度折減區域，如圖3所示。然後利用等效面積原理，確定膠合木柱的等效截面，如下膠合木柱的等效截面的計算公式所示。在圖3中，膠合木柱受火前邊緣1，炭化層2(溫度>300℃的區域)，炭化線3(300℃)，高溫分解區4(溫度在200-300℃的區域)，幹木區5(溫度在100-200℃的區域)，正常區6(溫度≤30℃的區域)，水份影響區7(溫度在30-100℃的區域)，an為寬度方向的正常區域長度(見圖中標註8)，amc為寬度方向受含水率影響的長度(見圖中標註9)，adry為寬度方向幹木區長度(見圖中標註10)，ath其為寬度方向高溫熱解區長度(見圖中標註11)，hn為高度方向的正常區域長度(見圖中標註12)，hmc為高度方向受含水率影響的長度(見圖中標註13)，hdry為高度方向幹木區長度(見圖中標註14)，hth為高度方向高溫熱解區長度(見圖中標註15)。本發明採用的木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型表達如下：式中：fRC(T)為在溫度T時的木材順紋相對抗壓強度。利用上述木材高溫順紋相對抗壓強度多階梯簡化模型，則膠合木柱的等效截面的計算公式如下：Aeq＝(an+0.8amc+0.7adry+0.4ath)(hn+0.8hmc+0.7hdry+0.4hth)式中：an其為寬度方向的正常區域長度(見圖3中標註8)；amc其為寬度方向受含水率影響的長度(見圖3中標註9)；adry其為寬度方向幹木區長度(見圖3中標註10)；ath其為寬度方向高溫熱解區長度(見圖3中標註11)；hn其為高度方向的正常區域長度(見圖3中標註12)；hmc其為高度方向受含水率影響的長度(見圖3中標註13)；hdry其為高度方向幹木區長度(見圖3中標註14)；hth其為高度方向高溫熱解區長度(見圖3中標註15)。根據該膠合木柱橫截面溫度場分布圖，如圖3所示。在受火時間30min時，an取寬度方向的正常區域的長度(即寬度方向溫度≤30℃的長度)，an＝80mm。同理amc取寬度方向水份影響區的長度(即寬度方向溫度在30-100℃區間內的長度)，amc＝58mm。adry取寬度方向幹木區的長度(即寬度方向溫度在100-200℃區間內的長度)，adry＝8mm。ath取寬度方向水份影響區的長度(即寬度方向溫度在30-100℃區間內的長度)，athc＝4mm。由於該實施例膠合木柱橫截面尺寸是正方形，所以an＝bn,amc＝bmc,adry＝bdry和ath＝bth.。則在受火時間30min時，Aeq＝(80+58×0.8+8×0.7+4×0.4)2＝133.62＝1.78×104cm2。步驟3：根據已獲得的火災過程中的膠合木柱等效截面，代入如下膠合木柱剩餘承載力公式中：式中：為軸心受壓構件穩定係數，Aeq為等效截面面積，fc為實際所用木材的常溫順紋抗壓強度。膠合木柱在火災試驗中30min時破壞，為0.704，Aeq為1.78×104cm2，fc為61.3MPa，則此時計算承載力為N(30min)＝61.3×0.704×133.62＝770(KN)。而實際持荷強度為780(KN)，結果相當接近，說明該發明具有較為準確的抗火性能分析能力。步驟4：試驗表明持荷65％，在火災中只能維持30min，與該發明計算結果相一致。根據圖5所示膠合木柱抗火性能設計流程，為滿足1小時抗火原則，應適當降低服役荷載或加大柱截面。採用膠合木柱截面尺寸改為220mm×220mm，同樣如上計算，受火60min時，其Aeq＝(40+74×0.8+10×0.7+4×0.4)2＝1082＝1.16×104cm2，計算承載力N(60min)＝0.61×61.3×1082＝404(KN)，與持荷強度780(KN)相差較大。採用膠合木柱截面尺寸改為240mm×240mm，同樣如上計算，受火60min時，其Aeq＝(60+76×0.8+6×0.7+4×0.4)2＝126.62＝1.6×104cm2，計算承載力N(60min)＝0.68×61.3×126.62＝668(KN)，與持荷強度780(KN)相差較大。採用膠合木柱截面尺寸改為250mm×250mm，同樣如上計算，受火60min時，其Aeq＝(70+76×0.8+6×0.7+4×0.4)2＝136.62＝1.87×104cm2，計算承載力N(60min)＝0.713×61.3×136.62＝816(KN)，與持荷強度780(KN)很接近。則膠合木柱截面尺寸為250mm×250mm時滿足1小時防火設計要求。該方法是有效可行的膠合木柱抗火性能設計方法。當前第1頁1 2 3