杉木短柱高温烘烤后残余承载力研究*

王展光 王婷婷 邵建华

(1.凯里学院建筑工程学院 贵州凯里 556011； 2. 江苏科技大学土木工程与建筑学院 江苏镇江 212003)

0 引言

黔东南州现有建寨史100年以上、传统习俗保存完整的民族村寨726个，在黔东南民族村寨中大部分建筑都是木结构，火灾是民族村寨最大威胁，从2004年到2017年间，全州共发生火灾716起，死亡89人，烧毁房屋面积52万，造成了极大的人员和财产损失。许多民族村寨在火灾中全部烧毁，化为灰烬。因此对黔东南民族木结构耐火性研究就显得极为迫切。

黔东南木结构为穿斗式结构，采用的材料都是本地生长的实木，木柱是其竖向承重构件，其耐火性能直接影响木结构耐火性能，是木结构火灾后评价的重要依据。

国外对木结构耐火性能研究较早也较为完善，相关研究基于欧美本地木材的构件进行了详细的分析，讨论了受火条件、长细比、荷载比等因素对木柱火灾后的强度、刚度和屈服性能的影响，建立了相关的数学模型和计算方法，提出了木柱的耐火计算方法，相关理论都应用到欧美木结构的规范中[1-9]。我国现在木结构相对较少，对木结构耐火性研究缺乏系统性，在GB 50016—2014《建筑设计防火规范》和GB 50005—2003《木结构设计规范》中仅对各类木构件的耐火时间进行了规定[10-11]。随着这几年对绿色建筑的研究关注，木结构耐火性能也逐步在加强。相关研究在参照国外木结构耐火性能研究的基础上，对花旗松柱和胶合柱的耐火性能进行了研究，考虑防火抹面、阻燃涂料、荷载水平等参数对木柱极限承载力、延性、破坏形态和炭化速度的影响[12-19]。

基于西南地区的杉木构件的耐火性能研究还相对缺乏，笔者采用黔东南地区民居常用的本地杉木和在市场上购买的木结构防火涂料，进行杉木短柱耐火试验，分析不同受火温度下的炭化速度和残余承载力，及防火涂料对木柱的保护作用，为黔东南地区木结构民居防火设计和灾后维修提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试件设计和制作

木柱：采用黔东南本地杉木，其在常温下的气干密度为364.1kg/m3,含水率11.4%，木柱的截面尺寸为方形，制作好的试件见图1，具体尺寸见表1。

图1 加工好的试件

表1 杉木短柱试件尺寸

防火涂料：福建漳平众知防火科技有限公司生产的XHS-02干粉型透明木材防火漆。

为了比较防火涂料厚度对木结构耐火性能的影响，木柱外层涂料分为涂刷3层和涂刷5层，每层之间间隔20 min，等表面干燥不粘时再涂刷下一层。

1.2 试验装置

上海意丰电炉有限公司的YFBJ1504-07型加温试验电炉，该电炉采用电阻丝发热，依靠AI-518P(V7.2)30段程序智能调节温度；济南试金集团有限公司微机控制电子万能试验机(WDW-2000E)。

1.3 试验过程

(1)加温试验。加温试验采用定制的加温试验电炉，该电炉通过按照规定的升温曲线智能控制炉膛的温度，使构件在制定的温度下均匀受热。由于在火灾过程中，构件温度是逐步上升，为了考虑火灾不同阶段杉木短柱性能的变化，并根据前期对于杉木梁耐火性能的试验结果，分别采用最高温度700、600、500、400、300 ℃ 5种温度来进行比较，加温时间为60 min，其中均匀升温时间30 min，到达指定温度后保持该温度30 min。

将杉木短柱试件放入实验炉中，按照实验升温曲线模拟火灾情况进行加热，实验结束后取出试件浇水冷却，加温后的试件见图2。

图2 高温烘烤后试件

由于杉木短柱在高温情况下炭化更加明显，为了充分考察防火漆性能，分别采用最高温度700 ℃和600 ℃来观察防火漆对木柱的保护效应。

(2)加载试验。采用控制位移的方法对不同高温烘烤后的木柱试件加压，加载速度为1 mm/ min，直至整个构件破坏或承载力下降到峰值荷载的85%。荷载-位移曲线由IMP采集系统进行数据采集。

2 结果与讨论

2.1 高温烘烤后杉木短柱形态和炭化速度分析

杉木短柱在高温烘烤下，可以分为4个阶段:

(1)室温至150 ℃为初步吸热阶段，该阶段木柱外层木材主要挥发水分和CO2，木材的化学成分没有变化。

(2)加热温度为150～270 ℃阶段为吸热阶段，木柱外表面木材热分解速度加快，受热生成CO2等不可燃烧气体。

(3)温度为270～500 ℃为放热反应过程，表现为木柱外表面木材急剧分解，产生大量的可燃气体产物和油性液体，木柱表面木材发生燃烧，在燃烧作用下使表面木材开始发生炭化。

(4)温度超过500 ℃为充分炭化阶段，木柱外表面基本热解气化完成，分解出来的易挥发和易燃烧气体充分燃烧，在木柱外表面形成完全炭化层，将内部木材与火焰隔开，形成保护层。

杉木短柱在高温后的形态见图3。从图中可以看出，当最高烘烤温度为300 ℃时，杉木短柱表面出现轻微的炭化层，但木柱依然完整，炭化层没有出现裂缝；达到400 ℃时，木柱棱角已经被炭化，表面由于收缩和热应力效应在表面形成纵横向裂缝；到500 ℃以上时，木柱表面纵横向裂缝宽度加大，形成鳄鱼皮似的裂缝分布，且表层炭化层有泛白的现象，说明炭化完全，局部出现破损断裂现象。

图3 杉木短柱高温烘烤后的形态

火灾后杉木短柱从外到内分炭化层、高温分解区和正常区域，其中炭化层完全丧失承载能力，在受力分析中不考虑；高温分解层承载能力明显降低，在澳洲规范[7]中为了考虑高温分解层对力学性能影响，建议在炭化层上增加7.5 mm作为分解区的厚度,国内的研究建议，对于木柱分解区厚度可按7 mm计[18]；除此以外的区域为正常区域，承载能力不变。

将加温后的杉木短柱的炭化层剥离，测量其剩余截面尺寸，具体数据见表1。

杉木短柱在截面宽度和高度上的炭化速度分别为Vb和Vh，其截面平均炭化速度为V，其公式如下[18]：

V=(Vb+Vh)/2

(1)

Vb=(B-b)/2t，Vh=(H-h)/2t

(2)

式中，B、H为烘烤前木柱截面的宽度和高度，b、h为烘烤后木柱截面宽度和高度，t为炭化时间(不同文献炭化时间取法不同，从288～300 ℃[20-21]，笔者认为木材在270 ℃已开始炭化，故以达270 ℃的时间来计算炭化速度)。

图4为杉木短柱的截面炭化速度与烘烤温度关系，从图中可以看出，杉木短柱截面的碳化速度随烘烤温度的升高而增加，但增长速度逐渐趋向平缓。

图4 杉木短柱炭化速度与烘烤温度关系

2.2 残余承载力

杉木短柱在加载早期发出轻微响声；随着荷载增大，木柱外边面的纵向裂纹不断增大，并伴随在加载过程中炭化层不断脱落；当荷载达到极限荷载时，压缩曲线出现明显下降，试件破坏。

杉木短柱在不同烘烤温度下压缩荷载位移曲线见图5。从图中可以看出，在压缩作用下，杉木短柱荷载位移曲线分为弹塑性屈服阶段和破坏阶段，在破坏前木柱没有明显的屈服点，其屈服强度和抗弯刚度随着烘烤的最高温度的升高而降低，当荷载达到极限荷载后，曲线出现明显的下降段而发生破坏。

图5 杉木短柱压缩荷载位移曲线

欧美等国家规范[5-9]对受火后木结构给出了一种简化计算方法，即通过计算有效截面法，来评估木结构承载力随温度退化，有效截面内木材强度取常温时木材强度，有效面积应考虑高温分解层的影响。

短木柱在轴心受压情况下，承载能力N取轴心受压Nn和受压屈曲Nφ较小值，按下面公式计算[11]。

Nn≤fcA

(3)

Nφ≤φfcA

(4)

N=min(Nn,Nφ)

(5)

其中An为木柱有效截面面积，为了考虑高温分解层对木柱残余强度的影响，在表1长宽的基础上每面减去7 mm；fc是杉木顺纹抗压强度设计值；φ为轴心受压构件稳定系数，按规范相关原则进行计算。

黔东南杉木顺纹抗压强度fc为35.3 N/mm2[22]。杉木短柱高温后的残余承载力与烘烤温度的关系见图6。从图中可以看出，杉木柱残余承载力随烘烤温度升高而降低。式(5)计算的结果高于实测值，但两者变化趋势类似。

图6 杉木短柱残余承载力与烘烤温度关系

2.3 防火漆对杉木短柱性能影响

(1)炭化速度。通过计算，在烘烤温度为600 ℃时，没有涂刷防火漆的杉木短柱炭化速度为0.51 mm/ min，涂刷3层防火漆，木柱炭化速度降为0.269 mm/ min；在烘烤温度为700 ℃时，没有防火漆的对照木柱炭化速度为0.54 mm/ min，涂刷3层防火漆后，炭化速度为0.377 mm/ min，涂刷5层后炭化速度为0.258 mm/ min。可以看出，防火漆能较好的抑制杉木短柱的炭化。

(2)残余承载力。涂刷了3层防火漆和没涂刷防火漆的木柱，在不同受火温度下的残余承载力见图7，从图中可以看出，防火漆对杉木短柱火灾后的剩余承载力有提高。

(3)防火漆层数。不同层数防火漆对杉木短柱残余承载力的影响见图8，在高温情况下，防火漆可以明显提高杉木短柱残余承载力，且层数越多对杉木柱的防火保护越好，残余承载力越高。

图7 3层防火漆与无防火漆的残余承载力比较

图8 防火漆层数对残余承载力的影响

3 结论

(1)在高温烘烤下，杉木短柱的炭化速度随受火温度升高而增加。

(2)高温烘烤后杉木短柱屈服强度和抗弯刚度随着加温温度的升高而降低，当荷载达到极限荷载后，曲线出现明显的下降段而发生破坏。

(3)杉木短柱残余承载力随烘烤温度升高而降低，采用剩余截面法计算高温烘烤后的残余承载力，两者基本吻合。

(4)木材防火漆能改善杉木短柱的耐火性能，降低其炭化速度和提高残余承载力。