木结构建筑耐火性能研究综述

西南地区村镇住宅大多采用木结构建筑且分布密集,一旦发生火灾,极易引发“火烧连营”的严重后果。因此,西南地区现存的木结构建筑消防安全问题日益严峻。本文从材料层面、构件层面以及结构层面对木结构建筑火灾蔓延的国内外研究现状进行综述,主要包括木材炭化机理、木材炭化速率、木材热解动力学、木构件耐火性能和木结构建筑室内外火灾蔓延规律。同时,结合我国木结构建筑火灾研究现状,对木结构建筑耐火性能、防火措施研究中有待于深入探索的问题进行总结。     

基于炭化速度的梁柱木构件防火设计方法研究

由于缺乏对木结构火灾性能的系统研究,现行国家标准《木结构设计规范》(GB 50005-2003)(2005版)和《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)仅对木结构构件的耐火极限进行了相关规定,没有涉及木材的燃烧机理、炭化速度以及木构件耐火极限的计算方法,限制了木结构向多层和大跨方向的发展。本文较系统地研究了我国工程常用树种的燃烧性能和炭化速度,得到了木材炭化速度计算式,提出了与试验结果吻合的木构件基于炭化速度的防火设计方法,为相关标准的制修订提供依据,为木结构在我国的推广应用提供支撑。     

重型木结构抗火设计方法介绍

树木在生长过程中吸收二氧化碳,排出氧气;同时木材又是可再生和循环再利用的建筑材料,因此越来越多的木结构被应用于现代居住和公共建筑物中。为了更好地了解重型木结构抗火性能及其抗火设计方法,在已有研究成果和文献的基础上,详细地介绍了火灾下木材的温度、力学和炭化特性,并介绍了国外关于木材炭化率的计算公式;根据炭化率计算公式及其火灾下木材力学性能介绍了火灾下受拉和受弯重型木构件承载力的计算。最后介绍的重型木结构抗火设计方法,可供实际重型木结构工程抗火设计参考。     

某商业广场设置木结构通廊的可行性分析

某商业广场的建筑单体之间拟设置木结构景观通廊,为分析设置通廊的可行性,通过FDS 火灾模拟和热传导计算,分析了增设通廊对人员疏散的影响、木构件温度场分布特征以及炭化特征,计算了火灾下木构件的承载能力。结果表明,设置木结构景观通廊不会影响火灾下人员疏散安全性,通廊的木构件会因高温而出现局部炭化,但仍可保持较高的承载能力。     

胶合木结构受火响应规律研究

采用剩余截面法计算分析了典型截面胶合木构件的耐火性能，并对平面尺寸7.2 m×7.0 m、高度4.5 m 的胶合木结构进行了实体火灾试验。结果表明，胶合木构件耐火性能受荷载比和升温曲线影响较大，在90%荷载比时，截面尺寸200 mm×400mm 的胶合木梁耐火极限约为50 min。ISO 834 标准升温曲线与大空间升温曲线下作用75 min，截面尺寸220 mm×280 mm 的构件截面炭化深度分别约40 mm 和30 mm。无外部火源时，胶合木结构难于延燃，火蔓延范围有限。从胶合木截面炭化深度计算、构件耐火极限计算到胶合木结构实体火灾试验得到的结果，可为工程中胶合木结构抗火性能分析提供参考。     

既有建筑木结构无损检测实例分析

以某既有建筑木结构为例,采用多种无损检测方法对木构件、榫卯节点缺陷进行检测,并确定木材强度等级,基于检测结果对检测方法可行性进行分析。研究结果表明,钻入阻抗法能合理反映既有建筑木结构缺陷位置和几何尺寸;轻微炭化部位阻力曲线峰值并未显著降低,而严重炭化部位阻力曲线峰值明显低于完好部位;内窥镜法可对榫卯节点内部损伤进行合理表征;超声波-阻抗仪综合法在木材强度等级确定中具有可行性。     

木构件疲劳性能研究进展

由于木材受生物或环境的影响,在承受往复荷载时容易出现不同程度的疲劳破坏,严重时会导致整个木结构发生倒塌,因此探讨木构件疲劳性能对于木结构的安全性和可靠性至关重要。文中将现有相关研究成果分类,从试验研究与数值模拟两方面对原始木构件和增强木构件的疲劳性能进行对比研究并总结了研究现状,指出现有研究中存在的不足并给出建议。结果表明木构件在往复循环疲劳过程中承载力、刚度和木材寿命均有所降低;各种方式增强后的木构件疲劳性能与刚度均有提升。以期为木结构的工程应用提供参考。     

火灾下木构件温度场分布数值模拟研究

木材是可燃性材料,研究木构件的抗火性能具有重要意义。受火后木材表面发生炭化,由于炭化层的导热系数较低,木材表面的炭化层能减缓热量传递并延缓木材燃烧,因此木材受火后传热是一个非常复杂的问题。采用ABAQUS较系统地研究了木构件的截面温度场分布规律,为木构件抗火性能研究提供基础。模型中木构件采用二维平面单元模拟,材料的热工特性参数根据欧洲规范(EN 1995-1-2)取值。分别采用三面受火木梁和四面受火木柱试验结果对数值模型的可靠性进行验证,并进一步研究了木材干密度和含水率对木构件温度场分布的影响。研究表明,材料密度越大,截面相同位置处的温度越低,截面温度上升越慢;而含水率对截面温度分布影响较小。     

木结构抗火性能及防火设计研究现状

随着现代木结构逐渐成为新的热点,木结构建筑的防火问题变得尤为重要。基于国内外现有研究成果,对木材受火时的微观结构变化、炭化速度进行总结;把国内外学者对木构件、整体木结构进行的有限元分析及试验情况做了归纳;对国内外有关技术标准中关于木结构建筑防火条文进行分析,并分别针对轻、重型木结构的防火设计予以讨论;对目前木结构建筑施工时防火处理做法进行探讨;根据我国木结构建筑防火现状,对今后的防火研究重点做出展望。     

木结构建筑的防火设计与防火对策分析

为了更好地研究木结构建筑的防火设计及防火对策,采用文献法等进行研究,得出采取适当的阻燃处理、做好建筑木材的表面保护、做好木构件的结构设计以及做好建筑物的防火设计等防火对策。这些做法有助于避免火灾的发生,有利于更好地保护木结构建筑的安全。     

经一麻五灰地仗处理的木梁三面受火耐火极限试验研究

传统木结构建筑木构件表面通常采用地仗处理进行保护,而地仗处理对木构件耐火性能的影响规律尚不清晰。为此,通过4组10根三面受火木梁耐火极限的对比试验,研究了截面尺寸、持荷水平、是否地仗处理等因素对木梁耐火极限的影响规律,提出了剩余截面法计算木梁耐火极限,并提出了木梁热力耦合数值分析模型。结果表明,三面受火木梁耐火极限随持荷水平的增加明显降低,当持荷比由30%增加至50%时,木梁耐火极限降低19.6%~31.7%,平均降低17.5min;三面受火木梁耐火极限随截面尺寸增加显著提高,当截面尺寸由100mm×200mm增加至200mm×400mm时,耐火极限提高95.1%~107.8%,平均增加40.0min;木梁表面经一麻五灰地仗处理后,耐火极限提高21.3%~429%,平均提高15.8min。不同持荷水平和截面尺寸木梁内部距离边缘相同位置处的温度变化相近,表面采用一麻五灰地仗处理可显著延缓木梁内部温度的上升速率,木梁两个方向的炭化速度平均值为0.54mm/min,与未作表面处理的木梁相比降低19.4%。基于剩余截面法和数值模拟得到的三面受火木梁耐火极限预测值与试验值的误差在±15%以内,基本满足工程精度要求。     

石灰膏抹面木梁受火后受力性能静力试验研究

木梁受火后由于炭化作用将使其有效截面减少、承载能力降低.通过2组11根木梁三面受火后力学性能的对比试验研究,分析了石灰膏抹面对木梁火灾性能影响.研究结果表明:对比木梁、三面受火无石灰膏抹面木梁和三面受火有石灰膏抹面木梁的破坏形态基本相似;三面受火30min的石灰膏抹面木梁由于含水率降低且木材未遭受炭化损伤,其承载力反而...     

四面受火木柱耐火极限的试验研究

通过6根四面受火木柱耐火极限的对比试验,研究不同持荷水平、是否采用石灰膏抹面对木柱耐火极限的影响。研究结果表明,四面受火木柱耐火极限随着荷载水平的增加而明显降低。采用石灰膏抹面后,其耐火极限有所增加。石灰膏抹面能有效降低四面受火木柱内的温升梯度,延缓木柱开始炭化的时间,降低炭化速度。     

Fire design of timber slabs made of hollow core elements

The fire design of timber structures usually take into account both the loss in cross-section due to charring of wood and the temperature-dependent reduction of strength and stiffness of the uncharred residual cross-section. The fire behaviour of timber assemblies made of hollow core elements is characterised by different charring phases. After the fire exposed timber layer is completely charred and the char-layer has fallen off, the thin vertical timber members are exposed to fire on 3 sides, leading to very irregular residual cross-sections with charring depths much greater than for heavy timber structures. Based on an extensive experimental and parametric study, a simplified calculation model for the fire resistance of timber slabs made of hollow core elements has been developed. The calculation model bases on the reduced cross-section method and takes into account two different charring phases. The paper first describes and discusses the simplified calculation model, and then compares the test results to the calculation model.     

基于无损检测的梁柱式木框架受火后剩余承载力研究

为利用无损检测评估木框架受火后剩余承载力,进行了两榀梁柱式木框架受火试验、阻抗仪无损检测试验以及火灾后剩余承载力试验研究,了解不同受火时间下木框架炭化速度、破坏形态和剩余承载力的变化规律,并采用ABAQUS软件对受火后木框架进行数值模拟分析,验证其极限承载力及破坏规律。研究结果表明：受火后木框架构件梁柱炭化速度相差不大,其炭化速度随受火时间的增大而减小;受火后木材材性参数与阻抗值存在一定的线性回归关系;考虑小试件强度转化为构件强度的影响因素后,受火后木框架构件材性参数亦可通过阻抗值获得;受火后木框架极限承载力明显降低,最终为梁跨中底部拉裂破坏;结合无损检测手段获得的受火后木框架构件材性参数,进行有限元模拟的结果与试验吻合,因此采用无损检测对受火后木框架剩余承载力评估是可行的。     

暴露木结构防火设计概述

在设计防火建筑时，大型木构件燃烧缓慢的特性是很早以来就被认识到了的优点。在美国，用木材来建造安全防火的建筑已有一个多世纪的成功历史。本文对在美国如何进行暴露木结构的防火设计进行了概述。     

多层木结构建筑防火要求及应用现状

我国规范允许的木结构建筑层数不超过3层;而在欧洲和北美,多层木结构建筑的建造技术和火灾安全设计较为成熟,6～9层的多层木结构建筑已有不少的应用实例。对国内外多层木结构建筑的防火规范要求进行对比调研,整理分析国内外多层木结构建筑的应用案例,为了解各国多层木结构建筑的火灾安全性能和实际应用状况提供参考资料和佐证。     

Determination of fire resistance ratings for glulam connectors within US high rise timber buildings

Multi-storey mass timber buildings constructed with cross laminated timber and glulam are being developed globally. Where engineered timber such as glulam is utilized, the column to beam connections need to be constructed with a fire resistance rating equal to that of the connecting members. The preferred glulam connectors are either a concealed steel plate with bolts and dowels; or a concealed proprietary screw-in sleeve type connector. The fire resistance of connectors for glulam members is an unresolved design issue, as there is no clear methodology to assess their capacity under fire, when the timber is exposed and not clad behind fire protective plasterboard. There is limited fire test data on concealed connectors under shear forces, which is the normal loading condition within a constructed building. Fire test data is also limited on full-size specimens. Correlations developed to date to calculate concealed connector fire resistance have only limited application.A methodology for the design of glulam beam to column connections has been developed based on an extensive literature review, examining the key issues for connection failure. It has been determined that char rate for the timber at the connection needs to be increased above the normally accepted design values, due to the influence of the steel connectors. Secondly, the reduction in timber strength behind the char layer needs to be accounted for, by including a greater depth of reduced strength and stiffness timber, such that the connection can effectively transfer the applied forces through the timber to the steel connector. The methodology detailed within this paper provides a simple approach to evaluate the timber cover to the concealed steel connector, where the timber strength and stiffness are effective.     

木柱四面受火后力学性能的试验研究

木柱受火后截面演化为三个区域:外侧为漆黑的炭化层,承载力完全丧失;中间为深灰的高温分解层,承载力明显劣化;内部为颜色不变的正常层,承载力无变化。通过5组24根木柱四面受火后力学性能的对比试验研究,了解不同受火时间后木柱剩余承载力、延性、破坏形态和炭化速度的变化过程。研究结果表明,受火后木柱剩余承载力显著降低,受火木柱的初始刚度均明显低于对比试件,部分截面较小的受火木柱发生偏压破坏。四面受火后木柱承载力下降原因主要包括:受火使木柱表面炭化,木柱有效面积减小;受火后靠近炭化层的高温分解层木材强度明显劣化;随着受火时间增加,木柱截面长细比增加导致其稳定系数降低;部分木柱由于局部裂缝使炭化不均,使受火后木柱的破坏形态由轴压转变为偏压破坏。受火木柱表面有裂缝处及角部的炭化速度加大;随着含水率降低,炭化速度有所增加;随着受火时间增加,炭化速度有所降低。