火焰高度在傳統(tǒng)木構(gòu)建筑榫卯燃燒試驗(yàn)中的變化

■ 郭曉朝 李萍 李智 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

傳統(tǒng)木構(gòu)建筑雖然結(jié)構(gòu)牢固、建造形制多變，但致命弱點(diǎn)就是可燃材料多、耐火等級(jí)低，遇火災(zāi)極易被燒毀。尤其是其結(jié)構(gòu)力學(xué)構(gòu)件榫卯節(jié)點(diǎn)一旦被燒，極易造成整體建筑坍塌的嚴(yán)重結(jié)果。建國以來，我國就有18處古建筑被燒毀坍塌，均與此有直接關(guān)系。

國外針對(duì)木結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接處抗火性能進(jìn)行了相關(guān)研究。Andrea Frangi 等對(duì)均勻木層板的火災(zāi)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在高溫下的粘接劑會(huì)導(dǎo)致木材炭化率的提高[1]。Lennon 等進(jìn)行了實(shí)木梁與實(shí)木板、工字型木梁搭配刨花板及鋼網(wǎng)片加固木梁與木板受火后倒塌性能試驗(yàn)[2]。Maxime Audebert 等對(duì)鋼與木材的連接進(jìn)行了火災(zāi)下試驗(yàn)，并建立了三維有限元模型[3]。Joachim Schmid 等對(duì)木構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了彎曲木材構(gòu)件在火災(zāi)狀態(tài)下的相關(guān)力學(xué)性能[4]。雖然國外的木結(jié)構(gòu)研究在結(jié)構(gòu)、材料等方面與我國木構(gòu)民居存在著較大的差異，但是其試驗(yàn)理念和方法仍然值得我們借鑒與學(xué)習(xí)。

我國針對(duì)民居木構(gòu)的抗火性能的研究主要有試驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)模擬研究兩種。試驗(yàn)研究采用實(shí)體或比例模型進(jìn)行實(shí)際的點(diǎn)火試驗(yàn)，直接對(duì)火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延進(jìn)行觀察，通過對(duì)試驗(yàn)中記錄的溫度、濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來研究其火災(zāi)特點(diǎn)，提出防火保護(hù)[5-8]。具有代表性的是張晉教授的課題組對(duì)兩面受火木柱、三面受火木梁、燕尾榫節(jié)點(diǎn)、螺栓-鋼填板節(jié)點(diǎn)、榫卯連接框架、鋼填板連接框架、鋼填板連接斜撐框架等，進(jìn)行了不同受火時(shí)間，以及耐火極限試驗(yàn)，研究提高了我國木結(jié)構(gòu)抗火研究的水平[9-16]。試驗(yàn)會(huì)遇到經(jīng)費(fèi)投入、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長等許多困難，而計(jì)算機(jī)模擬恰好克服了前面方法的弱點(diǎn)。各學(xué)者利用計(jì)算機(jī)模擬分別從阻燃材料、消防設(shè)施、人員疏散對(duì)傳統(tǒng)民居和古建筑中火勢蔓延及煙氣運(yùn)動(dòng)的特性方面開展了研究[17-21]。

本文選用云南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中廣泛使用的燕尾榫、十字箍頭榫、半榫和饅頭榫四種不同榫卯（見表1），分別采用垂直燃燒和節(jié)點(diǎn)燃燒點(diǎn)火方式，在不同加固方式下進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，分析火焰高度在試驗(yàn)中的變化，從而得到各種榫卯的抗火性能次序。

表1 四種榫卯結(jié)構(gòu)的數(shù)量及尺寸

一、材料與方法

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)云南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑主要以云南松為主要木材，因此，試驗(yàn)用云南松制作了相應(yīng)的榫卯節(jié)點(diǎn)。自制試驗(yàn)平臺(tái)提供點(diǎn)火源，通過控制煤氣的量來控制火焰的高度，并且添加兩臺(tái)固定功率電爐給予相應(yīng)的熱輻射，電爐距離榫卯的距離為400mm，此距離下電爐的熱輻射為2.0kW/m2，環(huán)境的溫度為25℃，進(jìn)行熱輻射后榫卯的溫度53℃～58℃之間。

二、不同點(diǎn)火方式對(duì)榫卯抗火性能的影響

（一）榫卯垂直方向燃燒時(shí)不同榫卯燃燒試驗(yàn)

選用燕尾榫、饅頭榫、半榫及十字箍頭榫從榫卯垂直方向進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，模擬延燃狀態(tài)下的榫卯燃燒過程。對(duì)火焰高度進(jìn)行測量，如下圖1 所示。

圖1 不同榫卯垂直燃燒時(shí)火焰高度隨時(shí)間變化

各榫卯均表現(xiàn)為火焰高度會(huì)隨時(shí)間變化而升高，且峰值都在3 ～4min 時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)達(dá)到峰值后會(huì)隨時(shí)間的變化而下降，到10min 之后火焰高度開始趨于平緩。最終各榫卯火焰高度都維持在5cm 左右。各榫卯的燃燒峰值不同，火焰高度極值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 不同榫卯垂直燃燒火焰高度極值

由以上數(shù)據(jù)可知在延燃狀態(tài)下十字箍頭榫燃燒最為充分，而饅頭榫燃燒相對(duì)較緩慢。

（二）榫卯直接受火時(shí)不同榫卯燃燒試驗(yàn)

選用燕尾榫、饅頭榫、半榫及十字箍頭榫直接受火作用下燃燒，模擬點(diǎn)燃狀態(tài)下的榫卯燃燒過程。對(duì)火焰高度進(jìn)行測量，如下圖2 所示。

圖2 不同榫卯直接受火時(shí)火焰高度隨時(shí)間變化

從圖中可以看出十字箍頭榫的火焰高度在同一時(shí)刻幾乎都高于其他的榫卯，這主要與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。十字箍頭榫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與空氣的接觸面積大，所以燃燒更激烈，火焰高度相應(yīng)地會(huì)高于其他的榫卯。燕尾榫、半榫、饅頭榫的火焰最高值都在6min 前后出現(xiàn)，而十字箍頭榫的火焰最高值在12min（快燒壞）時(shí)出現(xiàn)。各榫卯的最高與最低火焰值、燒壞時(shí)間及火焰平穩(wěn)后火焰高度的波動(dòng)區(qū)間見表3。

表3 不同榫卯直接受火時(shí)火焰高度極值及損壞時(shí)間

由以上數(shù)據(jù)可知直接受火時(shí)十字箍頭榫燃燒同樣最為充分，而燕尾榫燃燒相對(duì)于延燃工況下較緩慢。

三、不同加固方式對(duì)榫卯抗火性能的影響

為了讓木建筑更加的耐用，對(duì)木構(gòu)件的連接處進(jìn)行加固，可以提高其抗震、抗燒、抗壓等性能。在木構(gòu)建筑中常用的加固方式有：扒釘加固、鋼箍加固、鋼絲加固、扁鋼加固、碳纖維布加固等。本試驗(yàn)中主要選取鋼絲加固和扒釘加固作為試驗(yàn)對(duì)象。

（一）垂直方向燃燒時(shí)不同加固方式榫卯燃燒試驗(yàn)

加固榫卯的火焰高度隨時(shí)間的變化火焰高度同樣逐漸升高，但峰值相對(duì)于不加固時(shí)推遲了1 ～2min 出現(xiàn)。對(duì)于燕尾榫，加固方式會(huì)影響其燃燒過程。從圖3 可以看出，扒釘加固方式相對(duì)于鋼絲加固方式對(duì)燕尾榫的抗火性能影響很大，不僅在燃燒初期使得火焰高度超過鋼絲加固方式1 倍，且在燃燒中后期也能持續(xù)影響。但是饅頭榫使用鋼絲加固或者扒釘加固方式影響相對(duì)較小。

圖3 垂直燃燒時(shí)不同加固方式榫卯火焰高度隨時(shí)間變化

由表4 可知，當(dāng)使用燕尾榫建造時(shí)，鋼絲加固方式有利于燕尾榫本身的抗火性能。

表4 垂直燃燒時(shí)不同加固方式不同榫卯火焰高度極值

（二）直接受火時(shí)不同加固方式榫卯燃燒試驗(yàn)

燕尾榫同樣表現(xiàn)出鋼絲加固節(jié)點(diǎn)抗火性能優(yōu)于扒釘加固節(jié)點(diǎn)。在同一時(shí)刻扒釘加固的火焰高度普遍高于鋼絲加固。扒釘加固的火焰高度先隨時(shí)間的變化而升高之后逐漸趨于平緩。而鋼絲加固的火焰高度剛開始的時(shí)候火焰隨時(shí)間的變化起伏不大，在13min 之后火焰高度迅速升高。（見圖4）

圖4 直接受火時(shí)不同加固方式榫卯火焰高度隨時(shí)間變化

而饅頭榫直接點(diǎn)火下鋼絲加固方式反而導(dǎo)致了火勢的擴(kuò)大。扒釘加固相對(duì)穩(wěn)定。不同加固方式的榫卯在節(jié)點(diǎn)燃燒中最高與最低火焰值、燒壞時(shí)間數(shù)據(jù)見表5。

表5 直接受火時(shí)不同加固方式榫卯火焰高度極值

因此燕尾榫在傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中優(yōu)先選用鋼絲加固方式以利于其抗火性能。而饅頭榫在直接受火狀態(tài)下應(yīng)優(yōu)先選用扒釘加固。

四、結(jié)語

（一）通過進(jìn)行燕尾榫、半榫、十字箍頭榫及饅頭榫進(jìn)行延燃狀態(tài)及直接受火狀態(tài)下燃燒試驗(yàn)，得到十字箍頭榫在兩種情況下均燃燒充分，而饅頭榫在延燃狀態(tài)下最緩慢，燕尾榫在延燃工況下最緩慢。

（二）進(jìn)行加固方式后榫卯燃燒過程總體趨勢不變，但火焰高度峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲了1 ～2min。

（三）使用燕尾榫建造時(shí)，扒釘加固方式會(huì)促使火焰延燃，而鋼絲加固方式一定程度上能有利于燕尾榫本身的抗火性能。

（四）在直接受火狀態(tài)下，饅頭榫鋼絲加固方式反而導(dǎo)致了火勢的擴(kuò)大。而扒釘加固方式與不加固方式下直接受火基本一致。