膠合木鋼夾板螺栓連接節(jié)點的抗火性能*

張晉 許清風(fēng) 柏益?zhèn)?蔡建國

(1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，江蘇 南京210096;2.上海市建筑科學(xué)研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海200032)

螺栓連接是現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)的主要連接形式之一，也是木結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵部位，受力復(fù)雜，其抗火性能是評定木結(jié)構(gòu)建筑抗火性能的重要依據(jù).

國外對木結(jié)構(gòu)抗火性能的研究較早，在木材炭化速度方面，Konig［1］指出，在標(biāo)準(zhǔn)受火試驗中，炭化速度基本是線性的.White［2］指出，在北美，實木和膠合木被普遍接受的炭化速度為0.635 mm/min.Njankouo 等［3］指出，木材炭化速度與木材密度密切相關(guān)，含水率對炭化速度也有一定影響.Hugi 等［4］對12 種北美和歐洲常見的樹種進行試驗，認為木材炭化速度主要與木材的氧氣滲透率有關(guān)，而與木材的密度和木纖維的方向關(guān)系不大.De Moraes 等［5］利用小型加熱爐，進行了若干種不同的恒定溫度下木結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點的承載力試驗，指出溫度、含水率對木結(jié)構(gòu)螺栓連接的承載力影響很大.Audeber等［6］主要研究了木材-鋼板-木材連接節(jié)點在順紋受拉受火狀態(tài)下，螺栓或銷栓中的溫度分布情況.Moss 等［7］對小尺寸木材-木材-木材、鋼板-木材-鋼板、木材-鋼板-木材3 種形式的木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點進行了受火條件下螺栓連接破壞形式的試驗和數(shù)值模擬研究.Peng［8］進行了木-木螺栓連接、木-鋼夾板和木-鋼填板螺栓連接耐火極限的試驗以及有限元模擬研究，分析了木材厚度、螺栓直徑、螺栓端距對節(jié)點的耐火極限的影響.

近年來，我國部分學(xué)者開始進行木結(jié)構(gòu)火災(zāi)性能的研究探索.許清風(fēng)等［9］進行了石灰膏抹面木梁受火后受力性能靜力試驗研究，Zhang 等［10-11］進行了三面受火木梁耐火極限的試驗研究和數(shù)值模擬，張晉等［12］進行了四面受火木梁炭化速度與剩余受彎承載力試驗研究，李向民等［13］進行了四面受火木柱的耐火極限試驗研究，倪照鵬等［14］對木梁、柱、樓板、墻體等構(gòu)件進行了一系列標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗.以上文獻主要研究的是梁柱構(gòu)件的抗火性能，對木結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點的抗火性能研究很少.汝華偉等［15］進行了膠合木構(gòu)件螺栓連接的火災(zāi)試驗，但該文研究對象為鋼填板螺栓連接，未涉及工程中同樣較為常用的鋼夾板螺栓連接.

本研究進行了膠合木鋼夾板螺栓連接炭化速度試驗、四面受火膠合木鋼夾板螺栓連接的耐火極限試驗，并對受火試驗中膠合木鋼夾板螺栓連接截面溫度變化進行了分析.

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備與材料

試驗在東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室的大型水平試驗爐中進行，爐體尺寸為4.0 m×2.5 m×1.5 m.

木試件為花旗松膠合木，常溫(20 ℃)下的密度為480 kg/m3，含水率為10.4%，順紋抗壓強度為29.38 MPa，順紋抗拉強度為78 MPa，順紋彈性模量為10178 MPa.

熱電偶采用鎳鉻-鎳硅材料制成的K 形鎧裝熱電偶，測溫范圍為-200 ～1300 ℃.

1.2 炭化速度試驗試件編號

本研究進行了4 個膠合木鋼夾板螺栓連接的炭化速度試驗，膠合木鋼夾板螺栓連接節(jié)點試件尺寸如圖1所示.

圖1 膠合木鋼夾板螺栓連接節(jié)點試件尺寸詳圖(單位:mm)Fig.1 Sizes of linear bolted steel-glulam-steel connections(Unit:mm)

試件采用板厚10 mm 的Q345 等級鋼夾板，直徑14 mm 的8.8 級高強螺栓.木材表面涂刷球盾牌B60-2 飾面型防火涂料，鋼材表面涂刷B60-2 室內(nèi)超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料.

試件螺栓連接安裝完成后，木材及鋼材外露表面均每隔4 h 涂刷一遍，每次滾涂厚度約為2 mm，共涂3 遍，每平方米用量約為450 ～500 g.試件編號見表1.

表1 炭化速度試件1)Table1 Specimens for charring rate tests

1.3 耐火極限試驗試件編號

本研究進行2 個未受火對比膠合木鋼夾板螺栓連接試件極限承載力試驗和6 個四面受火膠合木鋼夾板螺栓連接試件的耐火極限試驗.木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定螺栓的最小端距為7 倍的螺栓直徑(d)，試驗將試件分為A、B 兩組，端距分別為10 倍、7 倍的螺栓直徑，其他情況均同炭化速度試驗.A 組螺栓連接節(jié)點試件尺寸見圖2，試件編號見表2.

圖2 A 組試件尺寸(單位:mm)Fig.2 Size of A specimens(Unit:mm)

表2 耐火極限試件Table2 Specimens for fire endurance tests

1.4 試驗概況

炭化速度試驗采用ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線.火災(zāi)試驗時，將膠合木鋼夾板螺栓連接試件兩端部放置于擺放好的耐火磚上，距離爐底約1 m，實現(xiàn)四面受火.試件在火災(zāi)爐中升溫至指定時間后切斷燃氣，等爐溫下降后取出澆水冷卻.

耐火極限試驗同樣采用ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線.火災(zāi)試驗時，將膠合木鋼夾板螺栓連接底部用水平試驗爐底部的4 根錨栓固定，上部通過伸出爐外的剛性栓桿傳遞荷載，用液壓千斤頂支撐在反力梁上進行加載.參照類似研究的做法，文中耐火極限試件持荷水平參數(shù)分別取為10%、20%及30%的極限承載力，而極限承載力為相應(yīng)未受火對比試件的承載力試驗值.試件加載裝置見圖3.

圖3 受拉試驗加載裝置Fig.3 Tension test setup

2 試驗結(jié)果分析

2.1 炭化速度分析

火災(zāi)試驗結(jié)束后，把試件表面的炭化層敲掉，根據(jù)試件受火前后尺寸差值與受火時間的比值可求出炭化速度(見表3).對4 個截面受火后的情況進行對比(見圖4):截面1—1 為木試件連接處，截面2—2左為鋼板邊緣內(nèi)側(cè)，截面2—2 右為鋼板邊緣外側(cè)，截面3—3 為木材端部截面，具體位置見圖5.

表3 試件炭化速度1)Table3 Charring rates of specimens

圖4 受火后的試件照片F(xiàn)ig.4 Specimens after fire

圖5 測量木材炭化速度截面位置圖Fig.5 Locations of calculation sections for the charring rate

由于火災(zāi)試驗剛剛開始的前幾分鐘，爐溫和ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線擬合較差(爐溫詳見圖6)，這種差異對試件的炭化速度大小造成很大影響，故需對試驗所得炭化速度進行修正，即求出有效炭化時間.

李國強等［16］提到，Ingberg(1928)從火災(zāi)傳給構(gòu)件的熱量與火災(zāi)的溫度和持續(xù)時間有關(guān)出發(fā)，認為當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線與時間軸、時刻te所圍成的曲線多邊形的面積同真實火災(zāi)下的升溫曲線與時間軸所圍成的曲線多邊形的面積相等時，te就是等效曝火時間.該方法考慮了火災(zāi)持續(xù)時間的影響，但火災(zāi)時從空氣傳遞到構(gòu)件的熱量與空氣和構(gòu)件之間的溫度差有關(guān)，而不僅僅與空氣溫度有關(guān)，因此該法理論上是不準(zhǔn)確的，但由于大部分時間內(nèi)空氣與構(gòu)件溫度差同空氣的溫度相差不大，因此溫度-時間面積確實能在一定程度上反映火災(zāi)對構(gòu)件危害性的大小.

圖6 爐溫曲線Fig.6 Temperature curves of the furnace

文中取上述等效曝火時間te為有效炭化時間，進而求出換算炭化速度，匯總?cè)绫?所示.

從表3可以看出:每個試件截面2—2(左)的炭化速度基本小于其截面2—2(右)的炭化速度，說明鋼板覆蓋區(qū)域炭化速度要略小于其他部位;每個試件不同截面的水平向炭化速度小于其豎向炭化速度;隨著受火時間的延長，炭化速度有降低的趨勢;有防火涂料保護的木梁的炭化速度均明顯小于無防火措施木梁相應(yīng)炭化速度.

2.2 耐火極限分析

2.2.1 對比試件極限承載力試驗現(xiàn)象與分析

為確定膠合木鋼夾板螺栓連接耐火極限的預(yù)加荷載，首先進行未受火對比試件極限承載力試驗.位移計布置在膠合木鋼夾板螺栓連接的頂端.試驗中對比試件加載采用分級加載，每級10 kN.

兩組試件試驗現(xiàn)象相似，以A 組試件來說明:隨著荷載的逐級施加，連接處逐漸出現(xiàn)間隙，當(dāng)荷載施加到90 kN 時木材開始出現(xiàn)輕微噼啪響聲;加載至140kN(B 組試件為130kN)時連接節(jié)點處木材間隙繼續(xù)變大，并聽見螺栓與木材連接處有滑動異響，噼啪聲不斷并伴有木材撕裂聲;繼續(xù)施加荷載，可見螺栓被拉彎，當(dāng)荷載增大到280kN 時，發(fā)生一聲巨響，螺栓與木材連接處單側(cè)拉穿，如圖7(a)所示(B 組試件連接處呈現(xiàn)楔形破壞，如圖7(b)所示)，試件破壞.

圖8、9 分別為兩組試件荷載-頂端位移曲線.可以看出:初始加載階段試件持荷很小，卻有明顯位移，這是因為節(jié)點域和上下錨固端的螺栓與螺栓孔之間存在空隙，受荷時試件被拉緊的緣故，后續(xù)加載過程中位移基本呈線性變化，沒有屈服點，說明延性性能比較差，破壞過程具有明顯的突然性;兩組對比試件極限承載力基本相同，說明螺栓端距在滿足木結(jié)構(gòu)規(guī)范的情況下，提高螺栓端距并不能明顯提高其極限承載力.

圖7 對比試件破環(huán)特征Fig.7 Failure modes of contrast specimens

圖8 A 組對比試件荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curve of the contrast specimen in A group

圖9 B 組對比試件荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curve of the contrast specimen in B group

2.2.2 耐火極限實驗現(xiàn)象與分析

文中軸向拉伸試件的耐火極限，參照文獻［8］采用的方法來確定:試件在受火過程中，由專人通過油泵維持千斤頂油壓使千斤頂對試件施加恒定荷載;試件臨近破壞時，變形速度明顯增加;當(dāng)變形速度增加到油壓不能維持穩(wěn)定時，試件達到耐火極限.

圖10(a)為耐火極限試件A20 試驗后的照片.連接已經(jīng)基本被燒壞，可見試件下部螺栓處端部被拉穿，螺栓有彎曲變形，如圖10(b)所示.

圖10 A20 試件受火后照片F(xiàn)ig.10 A20 specimens after fire

各組試件在受火過程中軸向拉伸變形隨時間變化的曲線如圖11所示，耐火極限試驗結(jié)果匯總見表4.

圖11 時間-位移曲線Fig.11 Load-displacement curves

表4 耐火極限試驗結(jié)果Table4 Experimental results of fire endurance

由表4可以看出:在螺栓端距相同的情況下，隨著持荷水平的增加，試件耐火極限減小，A10 耐火極限比A20 多14'4″，A20 比A30 多2'5″，表明隨著持荷水平的增加，持荷水平對試件耐火極限的影響降低;A30T 的耐火極限比A30 多2'53″，A30F 的比A30 多7'40″，這表明在相同螺栓端距和持荷水平的情況下，有無表面處理措施對試件的耐火極限有較大影響;A30 的耐火極限比B30 多50″，表明在相同表面處理、持荷水平的情況下，試件的耐火極限隨螺栓端距的增加，提高并不明顯.

3 截面溫度變化分析

3.1 溫度測點布置

試件中熱電偶布置位置如圖12所示，其中A1、D1、E1、H1 布置在木試件的中部，B1、C1、F1、G1 布置在上排螺栓與鋼板連接處，B2、C2、F2、G2 布置在木材與鋼板連接處，B3、C3、F3、G3 布置在螺栓中央位置.

圖12 試件中接熱電偶布置圖Fig.12 Layout of thermocouples in the specimen

3.2 炭化速度試件溫度數(shù)據(jù)結(jié)果分析

試件z20 的溫度隨時間的變化曲線如圖13所示.

測點A1、D1、E1、H1 位于木材中部，每個測點溫度相差在20 ℃范圍內(nèi)，且可見鋼夾板中部處木材測點D1、E1 的溫度略高于鋼夾板兩端木材測點A1、H1.

測點B1、C1、F1、G1 位于外部螺栓與鋼夾板接觸處，這4 個測點的溫度相差也不大，相同時間點的每個測點溫度相差在50 ℃范圍內(nèi)，因為這幾個測點暴露在外面與空氣接觸，其溫度差異主要是由于爐溫分布有一定的不均勻引起的;從圖13(b)可以看出這4 個測點的升溫曲線與爐溫曲線基本保持同樣的形狀，在上升段略低于爐溫，在下降段段略高于爐溫.

測點B2、C2、F2、G2 位于鋼夾板內(nèi)側(cè)與木材接觸處，這4 個測點的溫度要明顯低于B1、C1、F1、G1溫度值.

圖13 z20 測點溫度變化曲線Fig.13 Temperature curves of z20

測點B3、C3、F3、G3 位于螺栓中央位置，埋入深度相同(試驗過程中測點C3 損壞);B3、F3、G3 這3 個測點的溫度相差不大，在上升段和初始下降段低于爐溫，在后部下降段段曲線略高于爐溫.

將z20 和zp20 進行測點A1、D1 的溫度數(shù)據(jù)對比，結(jié)果見圖14.

由圖14可以看出，受火過程中有、無防火涂料試件的木材測點A1、D1 的溫度變化曲線分離趨勢明顯，最大溫差為150℃.

圖14 溫度變化曲線對比圖Fig.14 Comparison of temperature curves

其他炭化速度試件以及耐火極限試件的截面溫度變化規(guī)律類似，文中不再列出.

3.3 炭化速度試件與耐火極限試件截面溫度對比

取試件z20 與試件A10 的截面溫度進行對比.由于兩試件的爐溫都與ISO834 升溫曲線有一定誤差，為便于比較，將兩試件測點溫度與各自爐溫的差值進行比較，如圖15所示.由圖15可以看出，耐火極限試件的爐溫與測點溫度之差始終小于炭化速度試件.這是因為在耐火極限試驗中試件受荷，荷載作用下不同部件之間的空隙逐漸變大，進入的熱量更多.

圖15 試件z20、A10 的測點溫度與爐溫差值變化曲線Fig.15 Temperature difference curves between measuring points and the burner of z20 and A10

4 結(jié)論

(1)膠合木鋼夾板螺栓連接的鋼板邊緣內(nèi)側(cè)區(qū)域木材炭化速度小于鋼板邊緣外側(cè)區(qū)域;水平向炭化速度小于豎向炭化速度;有防火涂料木試件水平向炭化速度、豎向炭化速度均明顯小于無防火涂料試件，防火涂料防火效果顯著.

(2)在螺栓端距滿足木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的情況下，即順紋端距由7d 提高至10d 并不能提高其極限承載力.

(3)隨著持荷水平的增加，耐火極限減小，但影響程度逐漸降低;在相同螺栓端距和持荷水平的情況下，對試件表面進行處理可在一定程度上提高耐火極限;在螺栓端距滿足木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的情況下，將順紋端距由7d 提高至10d 并不能明顯提高耐火極限.

(4)涂有防火涂料試件測點溫度較未涂防火涂料試件溫度明顯降低;其他條件相同時，耐火極限試件升溫快于炭化速度試件.

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