考虑中低温区木材强度劣化的胶合木柱抗火设计方法与流程

本发明涉及胶合木柱抗火设计，具体涉及考虑中低温区木材强度劣化的胶合木柱抗火设计方法。技术背景木材作为地球生态系统生产的自然资源，属于负碳性建筑材料，因为木材产品固化的碳，比它在生产和使用过程中释放的碳更多。因此，在建筑材料中多选用木材，将有助抑制大气中CO2含量的增长，减缓全球气候变暖的趋势，对人类的生存与发展具有重要的意义。随着木材加工科技水平的不断发展，胶合木成取代传统实木锯材产品的最佳产品。胶合木是合理利用较小截面的木材制作层板，再胶合制作成的大截面构件，减小了木材天然缺陷对构件强度的不利影响，构件尺寸和形状突破了天然木材的限制。利用胶合木制造采用梁柱结构体系的重型木结构房屋，具有构件制备经济高效、外观愉悦生动亲和力强、室内空间布置自由灵活等优点，越来越受到重视。尽管胶合木构件有众多优点，但由于木材本身具有可燃性，增加了建筑中可燃物的数量，加大了危险性。无论传统建筑还是现代建筑，火灾的发生都会造成经济损失和人员伤亡，因此，胶合木结构件耐火性能的合理设计有着重大意义。通常胶合木柱承载力损失主要包括2个方面：燃烧炭化引起的有效承载截面面积的降低和未碳化区域内木材的强度劣化。而木材顺纹抗压强度基本由纤维外的木质素确定，当温度达100℃时，木质素受热软化，导致木材顺纹抗压强度降低，温度升高则重新硬固。当温度达到300℃以上时，木材碳化而不具强度，因此火场中胶合木柱内中低温区木材的温度分布对其顺纹抗压强度影响很大。当前胶合木构件防火设计的依据主要有《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)和《EN1995-1-2:General-structuralfiredesign》。虽然EN1995-1-2胶合木防火设计规范中考虑了胶合木构件所用木材树种密度、含水率对木材炭化速率的影响，但是并没有考虑对构件内温度场分布的影响；GB50016-2014中仅考虑木材炭化后木构件有效承载截面的降低，但并未考虑中低温区木材强度的劣化。因此按此两种标准进行的火灾中胶合木柱的抗火性能设计，与火灾中胶合木柱的实际有效剩余截面有较大出入。虽然EN1995-1-2考虑了高温分解区对木材强度的影响，但该作用区域很小。而受火构件内部中低温区范围更大，所以中低温区木材顺纹抗压强度劣化更应受到重视。而国际上常规的胶合木构件抗火设计更多的是基于足尺试验，将火灾过程中所有强度劣化等效成额外的零强度区域。但是，足尺模型试验耗费较大，有其特有的局限性。因此，提出一种简单有效的胶合木柱抗火性能设计方法非常重要。经对比现有技术的文献检索发现，目前已有多种建筑结构的抗火性能分析方法。这些专利都是建筑结构的抗火性能分析方法，分析方法相对比较繁琐。而本发明则是注重于更具前瞻性的抗火性能设计方法，其方法简单有效。这些专利与本发明方法比较不同之处在于：(1)公开号为105512394A的中国发明专利，该发明所述的方法主要是针对梁柱式木结构框架整体抗火性能的分析方法。但其分析过程需利用有限元软件的热-结构耦合计算，相对比较繁琐。而本发明着重于胶合木柱的抗火性能设计方法，将火灾中胶合木柱的承载力利用木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型等效成常温下胶合木柱的承载力，进行抗火性能分析。然后再进行胶合木柱抗火性能设计并满足1小时防火要求。两者应用的目的有很大区别。同时，该发明采用的木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型与EN1995-1-2的木材强度折减模型有本质的区别。该多阶梯简化模型更符合木材木质素受热特点，且有效简单。与本发明相比，其目标，流程和性能均不同。(2)公开号104990793A的中国发明专利，该发明所述的方法主要是针对火灾后木结构建筑的剩余承载力评估方法，本发明着重的是通过火灾中胶合木柱的抗火性能分析确定胶合木柱的抗火性能设计。两者应用的目的不同。同时火灾后的木材强度与火灾中的木材强度也不是同一概念。与本发明相比，其目标，流程和性能均不同。(3)公开号103324797A的中国发明专利，该发明所述的方法主要是高层钢框架结构整体抗火性能的检验分析方法，其评估对象是钢框架，与本发明中木结构建筑材料有这很大的区别。公开号103324797A的专利需要从温度场到力学场分析结构体系，分析过程十分复杂。而本发明着重的是简单有效的胶合木柱的抗火设计方法。在仿真模拟方面，有限元模拟软件对钢材有材料库，而木材则需要自定义。技术实现要素：1、发明要解决的技术问题针对现有技术中存在上述缺陷，本发明提供了考虑中低温区木材强度劣化的胶合木柱抗火设计方法，目的在于提出一种科学、低成本、简单且精确的胶合木柱抗火设计方法。考虑受火过程中胶合木柱横截面温度分布，结合木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型，实现经济可靠的胶合木柱防火设计方法。该发明可以减少大量足尺构件试验，降低火灾试验成本，提高研究经济效率和准确性。2、技术方案为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：考虑中低温区木材强度劣化的胶合木柱抗火设计方法，包括以下4个步骤：步骤1：根据EN1995-1-2中规定的木材热传导率和比热热工性能建立相关的材料属性，根据实际受火面的情况，设定辐射系数和Stefan-Boltzmann常数，设定胶合木柱表面热交换和表面热辐射，采用标准火灾升温曲线，通过有限元分析软件ABAQUS建立二维热传递模型，确定胶合木柱横截面温度场分布；步骤2：基于步骤1的胶合木柱横截面温度场分布，根据木质素的受热特性，利用木材高温顺纹相对抗压强度多折线劣化规律，根据其中低温区强度受含水率影响的变化特点，三角形等效成矩形的原理，建立木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型。在胶合木柱横截面温度场分布中划分若干个强度折减区域，然后利用等效面积原理，确定胶合木柱横截面的等效截面；本发明采用的木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型表达如下：式中：fRC(T)为在温度T时的木材顺纹相对抗压强度。利用上述木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型，则胶合木柱横截面的等效截面计算方法如下：Aeq＝(an+0.8amc+0.7adry+0.4ath)(hn+0.8hmc+0.7hdry+0.4hth)式中：an其为宽度方向的正常区域长度(见图3中标注8)；amc其为宽度方向受含水率影响的长度(见图3中标注9)；adry其为宽度方向干木区长度(见图3中标注10)；ath其为宽度方向高温热解区长度(见图3中标注11)；hn其为高度方向的正常区域长度(见图3中标注12)；hmc其为高度方向受含水率影响的长度(见图3中标注13)；hdry其为高度方向干木区长度(见图3中标注14)；hth其为高度方向高温热解区长度(见图3中标注15)。步骤3：基于所述步骤2中的计算结果，确定受火过程中胶合木柱的剩余承载力，根据胶合木柱的设计持载水平，预测耐火极限，实现受火过程中的胶合木柱抗火性能分析；胶合木柱剩余承载力计算公式如下：式中：为轴心受压构件稳定系数，Aeq为等效截面面积，fc为实际所用木材的常温顺纹抗压强度。步骤4：基于所述步骤3中的承载力情况，进行胶合木柱抗火性能设计。所述步骤1中胶合木柱横截面温度场分布通过有限元软件ABAQUS中采用二维热传递建模，使用DC2D4单元。所述步骤1中胶合木柱横截面温度场分布的有限元二维传热模型，还需根据实际服役环境下胶合木柱的含水率w及所用树种密度进行确定密度与干密度比，并且辐射系数取0.8和Stefan-Boltzmann常数取3.402×10-6。所述步骤1中胶合木柱受火表面热交换的设定为散热系数1500，表面辐射设定为发射率0.8。所述步骤1中标准火灾升温曲线选取国际标准ISO834规定的标准火灾升温曲线。所述步骤2中若干个强度折减区域为正常区(≤30℃)，含水率影响区(30-100℃)，干木区(100-200℃)和高温分解区(200-300℃)。所述步骤3中胶合木柱剩余承载力公式的fc应取实际所用木材的常温顺纹抗压强度。附图说明图1为胶合木柱抗火性能设计方法组成流程图；图2为胶合木柱抗火性能分析流程图；图3为火场中胶合木柱横截面温度场分布；1-胶合木柱受火前边缘，2-炭化层，3-炭化线(300℃)，4-高温分解区(200-300℃)，5-干木区(100-200℃)，6-正常区(≤30℃)，7-水份影响区(30-100℃)，8-宽度方向的正常区域长度an，9-为宽度方向受含水率影响的长度amc，10-宽度方向干木区长度adry，11-宽度方向高温热解区长度ath，12-高度方向的正常区域长度hn，13-高度方向受含水率影响的长度hmc，14-高度方向干木区长度hdry，15-高度方向高温热解区长度hth。图4为木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型图；4-高温分解区(200-300℃)，5-干木区(100-200℃)，6-正常区(≤30℃)，7-水份影响区(30-100℃)，16-木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型，17-木材高温顺纹相对抗压强度多折线劣化模型。图5为胶合木柱抗火性能设计流程图。具体实施方法下面结合实施例对本发明进行详细说明。实施例1：花旗松胶合木柱，花旗松的木材常温顺纹抗压强度为33.7MPa，密度450kg/m3，含水率w为15％，胶合木柱尺寸为长×宽×高：200mm×200mm×4000mm，设计持载水平为20％，四面受火。根据图1和图2进行操作，对其抗火性能设计的步骤如下：步骤1：根据胶合木柱的实际含水率w为15％，密度450kg/m3，根据EN1995-1-2得到木材热传导率和比热热工性能及密度与干密度比建立相关的材料属性，见表1和表2。根据胶合木柱四面受火的实际受火情况，设定辐射系数0.8和Stefan-Boltzmann常数取3.402×10-6。胶合木柱受火表面热交换的设定为散热系数1500，表面辐射设定为发射率0.8。采用国际标准ISO834规定的标准火灾升温曲线，通过有限元分析软件ABAQUS建立二维热传递模型，使用DC2D4单元，得到花旗松胶合木柱横截面温度场分布情况。表1木材导热系数参数温度(℃)导热系数(Wm-1K-1)200.122000.153500.075000.098000.3512001.50表2木材比热和密度比热工参数温度(℃)比热(kJkg-1K-1)木材实际密度/木材干密度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步骤2：根据步骤1中ABAQUS有限元分析软件得到的花旗松胶合木柱横截面温度场分布，根据木质素的受热特性，利用木材高温顺纹相对抗压强度多折线劣化模型17，根据其中低温区强度受含水率影响的变化特点，三角形等效成矩形的原理，建立木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型(如图4)。在图4中，木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型16，木材高温顺纹相对抗压强度多折线劣化模型17，正常区6(温度≤30℃的区域)，水份影响区7(温度在30-100℃的区域)，干木区5(温度在100-200℃的区域)，高温分解区4(温度在200-300℃的区域)。在花旗松胶合木柱横截面温度场分布中划分多个强度折减区域，即为上述的若干个强度折减区域，如图3所示。然后利用等效面积原理，确定胶合木柱的等效截面，如下胶合木柱的等效截面的计算公式所示。在图3中，胶合木柱受火前边缘1，炭化层2(温度>300℃的区域)，炭化线3(300℃)，高温分解区4(温度在200-300℃的区域)，干木区5(温度在100-200℃的区域)，正常区6(温度≤30℃的区域)，水份影响区7(温度在30-100℃的区域)，an为宽度方向的正常区域长度(见图中标注8)，amc为宽度方向受含水率影响的长度(见图中标注9)，adry为宽度方向干木区长度(见图中标注10)，ath其为宽度方向高温热解区长度(见图中标注11)，hn为高度方向的正常区域长度(见图中标注12)，hmc为高度方向受含水率影响的长度(见图中标注13)，hdry为高度方向干木区长度(见图中标注14)，hth为高度方向高温热解区长度(见图中标注15)。本发明采用的木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型表达如下：式中：fRC(T)为在温度T时的木材顺纹相对抗压强度。利用上述木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型，则胶合木柱的等效截面的计算公式如下：Aeq＝(an+0.8amc+0.7adry+0.4ath)(hn+0.8hmc+0.7hdry+0.4hth)式中：an其为宽度方向的正常区域长度(见图3中标注8)；amc其为宽度方向受含水率影响的长度(见图3中标注9)；adry其为宽度方向干木区长度(见图3中标注10)；ath其为宽度方向高温热解区长度(见图3中标注11)；hn其为高度方向的正常区域长度(见图3中标注12)；hmc其为高度方向受含水率影响的长度(见图3中标注13)；hdry其为高度方向干木区长度(见图3中标注14)；hth其为高度方向高温热解区长度(见图3中标注15)。根据该胶合木柱横截面温度场分布图，如图3所示。在受火时间42min时，an为宽度方向的正常区域的长度(即宽度方向温度≤30℃的长度)，an＝60mm。同理amc为宽度方向水份影响区的长度(即宽度方向温度在30-100℃区间内的长度)，amc＝56mm。adry为宽度方向干木区的长度(即宽度方向温度在100-200℃区间内的长度)，adry＝8mm。ath为宽度方向水份影响区的长度(即宽度方向温度在30-100℃区间内的长度)，athc＝6mm。由于该实施例胶合木柱横截面尺寸是正方形，所以an＝bn,amc＝bmc,adry＝bdry和ath＝bth.。值得说明的是bn为长度方向的正常区域长度，bmc为长度方向受含水率影响的长度，bdry为长度方向干木区长度，bth为长度方向高温热解区长度，在受火时间42min时，Aeq＝(60+56×0.8+8×0.7+6×0.4)2＝112.82＝1.27×104cm2。步骤3：根据已获得的火灾过程中的胶合木柱等效截面，代入如下胶合木柱剩余承载力公式中：式中：为轴心受压构件稳定系数，Aeq为等效截面面积，fc为实际所用木材的常温顺纹抗压强度。常温承载力计算结果验算，为0.84，Aeq为1.27×104cm2，fc为33.7MPa，则计算承载力为N＝0.84×33.7×2002＝1135(KN)，试验破坏力为1190(KN)，计算强度和试验强度相当接近，说明常温木材顺纹抗压强度及承载力公式符合要求。胶合木柱在火灾试验中40min时破坏，此时计算承载力为N(40min)＝33.7×0.63×112.82＝270(KN)。而实际持荷强度为240(KN)，结果相当接近。说明该发明具有较为准确的抗火性能分析能力，而相比EN1995-1-2的计算结果更为精确。步骤4：试验表明持荷20％，在火灾中只能维持40min，与该发明计算结果相一致。根据图5所示胶合木柱抗火性能设计流程，为满足1小时抗火原则，应适当降低服役荷载或加大柱截面。采用胶合木柱截面尺寸改为220mm×220mm，同样如上计算，受火60min时，其Aeq＝(50+66×0.8+8×0.7+6×0.4)2＝110.82＝1.23×104cm2，计算承载力N(60min)＝0.62×33.7×110.82＝257(KN)，与持荷强度240(KN)接近。胶合木柱截面尺寸为220mm×220mm时满足1小时防火设计要求。该方法是有效可行的胶合木柱抗火性能设计方法。实施例2：落叶松胶合木柱，落叶松的顺纹抗压强度为61.3MPa，密度为591kg/m3，含水率w为11.0％，胶合木柱尺寸为长×宽×高：200mm×200mm×4000mm，设计持载水平为65％，四面受火。分析人员操作步骤如同实施例1：步骤1：根据胶合木柱的实际含水率w为11.0％,密度为591kg/m3。根据EN1995-1-2得到木材热传导率和比热热工性能及密度与干密度比建立相关的材料属性，见表1和表2。根据胶合木柱四面受火的实际受火情况，设定辐射系数0.8和Stefan-Boltzmann常数取3.402×10-6。胶合木柱受火表面热交换的设定为散热系数1500，表面辐射设定为发射率0.8。采用国际标准ISO834规定的标准火灾升温曲线，通过有限元分析软件ABAQUS建立二维热传递模型，使用DC2D4单元，得到落叶松胶合木柱横截面温度场分布情况。步骤2：根据步骤1中ABAQUS有限元分析软件得到的落叶松胶合木柱横截面温度场分布。根据木质素的受热特性，利用木材高温顺纹相对抗压强度多折线劣化模型17，根据其中低温区强度受含水率影响的变化特点，三角形等效成矩形的原理，建立木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型(如图4)。在图4中，木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型16，木材高温顺纹相对抗压强度多折线劣化模型17，正常区6(温度≤30℃的区域)，水份影响区7(温度在30-100℃的区域)，干木区5(温度在100-200℃的区域)，高温分解区4(温度在200-300℃的区域)。在花旗松胶合木柱横截面温度场分布中划分多个强度折减区域，即为上述的若干个强度折减区域，如图3所示。然后利用等效面积原理，确定胶合木柱的等效截面，如下胶合木柱的等效截面的计算公式所示。在图3中，胶合木柱受火前边缘1，炭化层2(温度>300℃的区域)，炭化线3(300℃)，高温分解区4(温度在200-300℃的区域)，干木区5(温度在100-200℃的区域)，正常区6(温度≤30℃的区域)，水份影响区7(温度在30-100℃的区域)，an为宽度方向的正常区域长度(见图中标注8)，amc为宽度方向受含水率影响的长度(见图中标注9)，adry为宽度方向干木区长度(见图中标注10)，ath其为宽度方向高温热解区长度(见图中标注11)，hn为高度方向的正常区域长度(见图中标注12)，hmc为高度方向受含水率影响的长度(见图中标注13)，hdry为高度方向干木区长度(见图中标注14)，hth为高度方向高温热解区长度(见图中标注15)。本发明采用的木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型表达如下：式中：fRC(T)为在温度T时的木材顺纹相对抗压强度。利用上述木材高温顺纹相对抗压强度多阶梯简化模型，则胶合木柱的等效截面的计算公式如下：Aeq＝(an+0.8amc+0.7adry+0.4ath)(hn+0.8hmc+0.7hdry+0.4hth)式中：an其为宽度方向的正常区域长度(见图3中标注8)；amc其为宽度方向受含水率影响的长度(见图3中标注9)；adry其为宽度方向干木区长度(见图3中标注10)；ath其为宽度方向高温热解区长度(见图3中标注11)；hn其为高度方向的正常区域长度(见图3中标注12)；hmc其为高度方向受含水率影响的长度(见图3中标注13)；hdry其为高度方向干木区长度(见图3中标注14)；hth其为高度方向高温热解区长度(见图3中标注15)。根据该胶合木柱横截面温度场分布图，如图3所示。在受火时间30min时，an取宽度方向的正常区域的长度(即宽度方向温度≤30℃的长度)，an＝80mm。同理amc取宽度方向水份影响区的长度(即宽度方向温度在30-100℃区间内的长度)，amc＝58mm。adry取宽度方向干木区的长度(即宽度方向温度在100-200℃区间内的长度)，adry＝8mm。ath取宽度方向水份影响区的长度(即宽度方向温度在30-100℃区间内的长度)，athc＝4mm。由于该实施例胶合木柱横截面尺寸是正方形，所以an＝bn,amc＝bmc,adry＝bdry和ath＝bth.。则在受火时间30min时，Aeq＝(80+58×0.8+8×0.7+4×0.4)2＝133.62＝1.78×104cm2。步骤3：根据已获得的火灾过程中的胶合木柱等效截面，代入如下胶合木柱剩余承载力公式中：式中：为轴心受压构件稳定系数，Aeq为等效截面面积，fc为实际所用木材的常温顺纹抗压强度。胶合木柱在火灾试验中30min时破坏，为0.704，Aeq为1.78×104cm2，fc为61.3MPa，则此时计算承载力为N(30min)＝61.3×0.704×133.62＝770(KN)。而实际持荷强度为780(KN)，结果相当接近，说明该发明具有较为准确的抗火性能分析能力。步骤4：试验表明持荷65％，在火灾中只能维持30min，与该发明计算结果相一致。根据图5所示胶合木柱抗火性能设计流程，为满足1小时抗火原则，应适当降低服役荷载或加大柱截面。采用胶合木柱截面尺寸改为220mm×220mm，同样如上计算，受火60min时，其Aeq＝(40+74×0.8+10×0.7+4×0.4)2＝1082＝1.16×104cm2，计算承载力N(60min)＝0.61×61.3×1082＝404(KN)，与持荷强度780(KN)相差较大。采用胶合木柱截面尺寸改为240mm×240mm，同样如上计算，受火60min时，其Aeq＝(60+76×0.8+6×0.7+4×0.4)2＝126.62＝1.6×104cm2，计算承载力N(60min)＝0.68×61.3×126.62＝668(KN)，与持荷强度780(KN)相差较大。采用胶合木柱截面尺寸改为250mm×250mm，同样如上计算，受火60min时，其Aeq＝(70+76×0.8+6×0.7+4×0.4)2＝136.62＝1.87×104cm2，计算承载力N(60min)＝0.713×61.3×136.62＝816(KN)，与持荷强度780(KN)很接近。则胶合木柱截面尺寸为250mm×250mm时满足1小时防火设计要求。该方法是有效可行的胶合木柱抗火性能设计方法。当前第1页1 2 3