传统木结构典型构件火灾性能试验研究

发布时间：2020-05-28 10:51

【摘要】：地仗工艺是传统木结构中常见的表面处理工艺,地仗层包裹在木构件表面,有效提高了木构件的防腐和防虫性能,但其对木构件防火性能的影响尚不清楚。本文采用传统木结构中常见的“一麻五灰”地仗工艺,对木梁、木柱进行处理,通过试验研究和有限元模拟,对传统木结构典型构件的耐火极限和受火后力学性能进行较全面的研究。本文主要内容及结论如下:(1)选取木结构建筑中常见的南方松木材,进行了10根木梁和10根木柱的耐火极限试验,研究了持荷比、截面尺寸、表面处理方式等因素对木构件耐火极限的影响规律。结果表明,木梁和木柱的耐火极限随持荷比增大而降低,随截面尺寸增大而提高;一麻五灰地仗处理能有效延缓木构件内部热电偶的升温速度,显著提高构件的耐火极限。(2)对耐火极限试验后的木构件进行了炭化层厚度分析,结果表明圆木柱除去炭化层后的剩余截面基本仍呈圆形;矩形截面木梁三面受火后的剩余截面呈U型,底面边角处呈弧形,木梁沿截面高度方向的炭化速度略大于沿截面宽度方向的炭化速度;试件截面尺寸和持荷比对炭化速度影响不明显,一麻五灰地仗处理能有效减小炭化速度。(3)基于强度折减法推导适用于轴心受压圆木柱耐火极限的理论公式,计算结果与试验结果符合良好,说明采用强度折减法计算圆木柱耐火极限是可行的。基于此提出圆木柱防火设计中确定最小截面尺寸的方法。(4)针对木材正交各向异性、拉压强度不相等和拉压破坏模式不同的特点,编制了VUMAT用户材料子程序,对木材弹性阶段的本构模型、高温下力学性能的折减规则、受拉受压模式下的屈服准则以及屈服后的损伤模型进行了定义。(5)采用ABAQUS软件调用VUMAT用户材料子程序,对木构件进行了热-力耦合分析,数值模拟得到的截面温度场、耐火极限和位移-时间曲线与试验结果符合良好。(6)进行了12根木梁和14根木柱受火后力学性能的试验,研究了剩余承载力、荷载-位移曲线、初始刚度和截面应变分布。结果表明,木构件受火后剩余承载力和初始刚度均随受火时间增加而减小,一麻五灰地仗处理能显著降低剩余承载力和初始刚度的减小幅度;运用ABAQUS软件进行了数值模拟,分析结果与试验结果符合良好。(7)以受火时间为参数,通过有限元模拟对构件炭化速度进行了参数化研究,结果表明,随着受火时间增加木柱炭化速度逐渐减小且减小幅度趋于平缓,炭化速度与受火时间符合幂函数关系,通过计算得到炭化速度与受火时间的拟合公式。(8)基于强度折减法提出短木柱受火后剩余承载力计算公式,提出适用于不做表面处理和经过一麻五灰地仗工艺处理木构件的折减系数,与试验结果符合较好。
【图文】：

试样,密度,火灾试验

本文的传统木结构火灾性能研究以火灾试验为主，辅以有限元模拟进行对比。火灾试验前对该批次木材的材性进行检测，并对相关试件进行地仗工艺处理。由于 ABAQUS 软件中没有能适用木材的材料模型，利用 fortran 编译器编制适用于木材的 VUMAT 用户材料子程序嵌入 ABAQUS 软件进行计算。本章对火灾试验的前期准备工作及有限元模拟的基础理论进行介绍。2.2 火灾试验准备2.2.1 材性试验(1) 密度测定参照 GB/T 1993-2009《木材密度测定方法》[32]，制备 5 个边长为 50mm 的立方体试样用于测定南方松的密度，如图 2-1 所示。测量试样顺纹方向、横纹径向和横纹弦向的边长并记录，用 JA-503 电子精密天平称出试样质量并精确至0.001g，如图 2-2 所示。由试样质量与体积计算得到相应试样的气干密度，计算结果如表 2-1 所示。

密度测定

本文的传统木结构火灾性能研究以火灾试验为主，辅以有限元模拟进行对比。火灾试验前对该批次木材的材性进行检测，并对相关试件进行地仗工艺处理。由于 ABAQUS 软件中没有能适用木材的材料模型，利用 fortran 编译器编制适用于木材的 VUMAT 用户材料子程序嵌入 ABAQUS 软件进行计算。本章对火灾试验的前期准备工作及有限元模拟的基础理论进行介绍。2.2 火灾试验准备2.2.1 材性试验(1) 密度测定参照 GB/T 1993-2009《木材密度测定方法》[32]，，制备 5 个边长为 50mm 的立方体试样用于测定南方松的密度，如图 2-1 所示。测量试样顺纹方向、横纹径向和横纹弦向的边长并记录，用 JA-503 电子精密天平称出试样质量并精确至0.001g，如图 2-2 所示。由试样质量与体积计算得到相应试样的气干密度，计算结果如表 2-1 所示。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU366.2

【参考文献】