木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)耐火極限試驗(yàn)研究*1

張　晉, 王　斌,宗鐘凌， 侯士通, 柏益?zhèn)?/p>

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京　210096;2.淮海工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 連云港　222005)

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木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)耐火極限試驗(yàn)研究*1

張晉1?, 王斌1,宗鐘凌2， 侯士通1, 柏益?zhèn)?

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096;2.淮海工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 連云港222005)

摘要：為研究我國古建木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的抗火性能，進(jìn)行了4個(gè)燕尾榫榫卯節(jié)點(diǎn)的耐火極限試驗(yàn)、以及1個(gè)未受火對比試件的承載力試驗(yàn)研究.承載力試驗(yàn)表明，未受火對比試件的梁跨中豎向位移基本隨荷載線性變化，沒有明顯屈服點(diǎn)，延性較差.根據(jù)該對比試件的承載力試驗(yàn)值、以及各耐火極限試件持荷比參數(shù)取值，確定了耐火極限試件的預(yù)加恒定荷載值.耐火極限試驗(yàn)中，持荷比25%，37.5%，50%試件的耐火極限分別為59，44，21 min，持荷比50%并涂有防火涂料試件的耐火極限為58 min，表明持荷比的減小、以及采用防火涂料均可顯著提高耐火極限.溫度數(shù)據(jù)表明，持荷比對溫度上升速率沒有明顯的影響，榫頭與卯口之間2～4 mm的微小間隙對傳熱的影響幾乎可以忽略.

關(guān)鍵詞：榫卯節(jié)點(diǎn)；耐火極限；截面溫度；持荷水平；破壞形態(tài)

榫卯連接是中國古建筑木結(jié)構(gòu)的特色之一，作為結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，其耐火極限是古建筑木結(jié)構(gòu)抗火性能的重要研究內(nèi)容.

國外學(xué)者對木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的耐火性能進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的試驗(yàn)研究.Norén[1]做了木材-木材-木材鋼釘(WWW)連接節(jié)點(diǎn)的耐火極限試驗(yàn)，結(jié)果表明持荷水平和側(cè)材的厚度對WWW的耐火極限影響很大，而鋼釘?shù)闹睆接绊懽饔貌淮?Audebert等[2]對木材-鋼板-木材(WSW)連接木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，主要研究了順紋受拉WSW連接節(jié)點(diǎn)在受火狀態(tài)下力在螺栓或銷栓中的溫度分布情況以及兩者的異同，并利用三維有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證.De Moraes等[3]在小型加熱爐中對木材-木材-木材螺栓連接形式的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了恒溫耐火極限試驗(yàn)，指出溫度對木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)耐火極限性能影響很大.Lei[4]進(jìn)行了WWW,WSW,SWS連接耐火極限的試驗(yàn)研究和有限元模擬，分析了木材厚度、螺栓的直徑、螺栓的端距對木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的耐火極限的影響.

近年來，林業(yè)資源的恢復(fù)和進(jìn)口木材數(shù)量的增多促成了我國木結(jié)構(gòu)建筑市場的升溫，木結(jié)構(gòu)火災(zāi)性能的研究探索也日益受到重視.李向民等[5]進(jìn)行了四面受火木柱耐火極限的試驗(yàn)研究，研究不同持荷水平、采用石灰膏抹面對木柱耐火極限的影響.許清風(fēng)等[6]進(jìn)行了石灰膏抹面木梁受火后受力性能靜力試驗(yàn)研究，分析石灰膏抹面對木梁火災(zāi)性能的影響.張晉等[7]進(jìn)行了三面受火木梁耐火極限的數(shù)值模擬，結(jié)果表明持荷水平、木材密度對三面受火木梁耐火極限影響較大.汝華偉等[8]進(jìn)行了膠合木構(gòu)件螺栓連接的火災(zāi)試驗(yàn)，表明螺栓的直徑和間距對耐火極限影響不大，而增加側(cè)材厚度、降低荷載水平、增加連接端距能提高其耐火極限.倪照鵬等研究了木構(gòu)架墻體、木構(gòu)架樓板、天花板吊頂，以及膠合木梁和木柱的耐火性能、破壞模式，同時(shí)驗(yàn)證了構(gòu)件的耐火極限[9].

對于榫卯節(jié)點(diǎn)，目前對其抗震機(jī)理及加固后的耗能特性已有大量的闡述和研究[10-13]，但對其抗火性能的研究則很少，目前為止，尚未見到國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn).

本文通過1個(gè)榫卯節(jié)點(diǎn)未受火對比試件極限承載力試驗(yàn)和4個(gè)梁柱式榫卯節(jié)點(diǎn)耐火極限試驗(yàn)，研究不同持荷水平、不同表面處理方式對榫卯節(jié)點(diǎn)耐火極限的影響，為木結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)提供參考.

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)設(shè)備、材料

試驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型水平試驗(yàn)爐中進(jìn)行，爐體尺寸為4.0 m×2.5 m×1.5 m.

試件木材采用膠合木花旗松，常溫(20 ℃)下的密度為480 kg/m3，含水率為10.4%，順紋抗壓強(qiáng)度為29.38 MPa，順紋抗拉強(qiáng)度為78 MPa，徑面抗剪強(qiáng)度為5.76 MPa，弦面抗剪強(qiáng)度為4.53 MPa，順紋彈性模量為10 178 MPa.

試驗(yàn)中采用鎳鉻-鎳硅材料制成的K形鎧裝熱電偶，測溫范圍為-200 ℃～1 300 ℃.防火涂料為球盾牌B60-2飾面型，對表面要求涂刷防火涂料的試件，每3 h涂刷1次，共涂刷3次，每平方米防火涂料用量約為450～500 g，涂料厚度約為1 mm.

1.2試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的5個(gè)榫卯節(jié)點(diǎn)試件編號見表1.各試件尺寸均相同，如圖1所示.

表1　榫卯節(jié)點(diǎn)試件一覽表

注：試件編號中，字母k后面的數(shù)字代表其持荷水平百分比，p代表涂刷防火涂料.

1.3對比試件承載力試驗(yàn)加載方案及測點(diǎn)布置

1.3.1加載方案

未受火對比試件承載力試驗(yàn)與受火試件耐火極限試驗(yàn)加載裝置相同，如圖2所示.

試驗(yàn)中，將榫卯節(jié)點(diǎn)柱底部插入固定于試驗(yàn)爐底部的柱礎(chǔ)內(nèi)，柱頂部利用液壓千斤頂施加固定荷載200 kN，用以模擬柱中軸力；梁的另一端簡支在混凝土柱墩頂端，在梁的跨中處利用液壓千斤頂施加逐級增大的荷載，直至試件發(fā)生破壞，確定試件的極限承載力.

圖1　榫卯節(jié)點(diǎn)試件尺寸(單位：mm)

圖2　 加載裝置簡圖(單位：mm)

1.3.2測點(diǎn)布置

在梁的跨中位置布置拉線式位移計(jì)，拉線式位移計(jì)纏繞在梁跨中的鋼釘上.

在梁的不同位置黏貼應(yīng)變片，位置如圖3所示.

1.4耐火極限試件加載方案及測點(diǎn)布置

1.4.1加載方案

加載裝置與未受火對比試件承載力試驗(yàn)相同.

受火前，與對比試件一樣在柱頂部施加固定荷載200 kN；而梁跨中預(yù)加的恒定荷載則由對比試件梁跨中的極限承載力和持荷水平來確定.各耐火極限試件的持荷水平見表1.

本次試驗(yàn)采用ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線.在受火過程中，柱受火部分為梁底部向下25 cm范圍內(nèi)，梁受火部分為柱端右側(cè)25 cm范圍內(nèi).采用耐火棉包裹住試件不受火的部分，并封閉試件頂部以避免千斤頂受火.

圖3　應(yīng)變片位置圖

受火過程中，由專人通過油泵維持千斤頂油壓使千斤頂對梁跨中施加恒定荷載；試件臨近破壞時(shí)，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(shí)，試件達(dá)到耐火極限.

1.4.2測點(diǎn)布置

在梁的跨中位置布置拉線式位移計(jì)，拉線式位移計(jì)纏繞在梁跨中的鋼釘上.

在受火試件截面內(nèi)部不同部位布置了熱電偶，位置如圖4所示，埋置深度如表2所示.

圖4　熱電偶布置圖(單位：mm)

測點(diǎn)12345678埋置深度/mm6090609060909060

2結(jié)果及分析

2.1對比試件極限承載力試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中，隨著荷載的增加，木梁梁端底部與柱邊之間開始出現(xiàn)間隙，當(dāng)梁跨中荷載施加到40 kN時(shí)，會發(fā)出輕微聲響，表面并未有其它現(xiàn)象；當(dāng)荷載施加到80 kN會有持續(xù)不斷的連續(xù)聲響；荷載施加到180 kN時(shí)候，發(fā)生一聲巨響，荷載無法繼續(xù)保持，試件破壞.觀察試件發(fā)現(xiàn)：木梁榫頭部位在榫窄底部位置處約一半的高度處被剪斷，然后在中間位置處沿著木梁順紋方向劈開，產(chǎn)生一條巨大裂縫，試件破壞，破壞照片如圖5所示.

圖5　梁柱式榫卯節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)破壞圖

2.1.2主要試驗(yàn)結(jié)果

圖6～圖8分別給出了梁柱式榫卯連接荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線.由于在試驗(yàn)過程中應(yīng)變片3，4被扯斷，數(shù)據(jù)丟失，本節(jié)給出其它測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù).

位移/mm

從圖6可以看出，梁跨中位移隨著荷載的增大而逐漸增大，并沒有屈服點(diǎn)，其延性較差.從圖7，圖8可以看出，測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)基本隨著荷載的增大呈線性增大.

荷載/kN

荷載/kN

2.2耐火極限試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

極限承載力試驗(yàn)中對比試件梁跨中的極限承載力為180 kN，故k25，k37.5，k50，kp50耐火極限試驗(yàn)過程梁跨中的預(yù)加荷載分別取為45 kN,67.5 kN,90 kN,90 kN.柱頂施加的預(yù)加荷載和對比試件極限承載力試驗(yàn)中柱頂施加的荷載一樣，均為200 kN.

在試驗(yàn)初期，榫卯節(jié)點(diǎn)試件受火后，溫度升高，試件開始炭化，大量煙霧從爐中冒出.隨著時(shí)間的增加，試件開始燃燒，煙霧減少，梁跨中的位移逐漸增加.在試驗(yàn)將近結(jié)束的時(shí)候，梁跨中位移急劇增大，施加的預(yù)加荷載無法繼續(xù)保持，耐火極限試驗(yàn)結(jié)束.圖9為試件k37.5試驗(yàn)后的照片.

2.2.2主要試驗(yàn)結(jié)果

將各耐火極限試驗(yàn)過程中各試件梁的跨中位移時(shí)間曲線匯總?cè)鐖D10所示.

從圖10可以看出：k25,k37.5,k50 3組試件跨中位移最大值分別為26.62 mm,23.63 mm,17.21 mm.受火時(shí)間相同時(shí)，梁柱式榫卯連接節(jié)點(diǎn)梁跨中的位移隨著荷載的增大而增大，且荷載越大，跨中位移增加的幅度越大.隨著受火時(shí)間的增加，跨中位移增大的速度越來越快.試驗(yàn)進(jìn)行到一定時(shí)間后，梁跨中位移急劇增大，當(dāng)位移速度超過某一速度時(shí)，梁跨中的預(yù)加荷載無法繼續(xù)維持，即認(rèn)定試件破壞，此時(shí)對應(yīng)的時(shí)間就是耐火極限.各試件耐火極限匯總?cè)绫?所示.

圖9　受火后試件k37.5

位移/mm

試件編號梁跨中荷載/kN持荷水平/%表面處理耐火極限/mink254525無59k37.567.537.5無44k509050無21kp509050%防火涂料58

由表3可以看出，在試件材料、截面相同的情況下，持荷水平、有無表面處理措施成為影響耐火極限的重要因素，k37.5的耐火極限比k25降低了25.4%，k50的耐火極限比k37.5降低了52.3%，這表明隨著持荷水平的增加，試件耐火極限減小，在持荷水平較低時(shí)，持荷水平對試件耐火極限影響較?。槐驹囼?yàn)中，持荷水平為50%的四面防火涂料試件要比相同持荷水平無表面處理措施的試件提高約176%，由此可見，對試件表面進(jìn)行處理可較大程度提高耐火極限.

2.2.3截面溫度變化

榫卯節(jié)點(diǎn)耐火極限試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，梁跨中的位移突然增大，埋置在梁截面內(nèi)部的熱電偶線被拔出，未能采集到降溫階段的溫度數(shù)據(jù)，故本節(jié)只給出了測點(diǎn)在升溫階段的溫度數(shù)據(jù).圖11為試件k37.5的爐溫及部分測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，可以看出試驗(yàn)中爐溫升溫曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合較好，其余試件情況相同.同時(shí)可以看出，由于爐溫遠(yuǎn)高于測點(diǎn)溫度，將爐溫、各測點(diǎn)溫度繪制在同一圖表中導(dǎo)致難以清晰表達(dá)各測點(diǎn)的溫度，故后續(xù)相關(guān)圖表中，略去爐溫變化曲線.

時(shí)間/min

試件k37.5測點(diǎn)保存較為完好，且其余各組試件的測點(diǎn)與k37.5具有相似的升溫趨勢，故本節(jié)僅取試件k37.5進(jìn)行分析，溫度變化曲線見圖12.

比較7#,8#和1#,2#兩組溫度測點(diǎn)：測點(diǎn)7#和8#測量的都是榫頭處的溫度，但7#測點(diǎn)的埋置深度比8#深30 mm.可以發(fā)現(xiàn)8#測點(diǎn)的溫度始終大于7#測點(diǎn)，且兩者之間的溫差隨著時(shí)間的增加逐漸增大，在達(dá)到極限破壞時(shí)溫差為57.90 ℃.同樣1#和2#測點(diǎn)的距受火側(cè)面距離相等，但2#測點(diǎn)的埋置深度比1#深30 mm，由于1#測點(diǎn)溫度一開始僅比2#測點(diǎn)小2.3 ℃，可認(rèn)為兩者初始溫度相等，試件破壞時(shí)1#測點(diǎn)溫度比2#測點(diǎn)大31.5 ℃.表明其他條件相同時(shí)，測點(diǎn)埋置深度越淺，其溫度越高.

比較溫度測點(diǎn)1#,3#：兩者測量的是梁同一截面處的溫度，兩者埋置深度相同，但1#測點(diǎn)距受火側(cè)面更近.分析試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)1#測點(diǎn)的溫度始終大于3#測點(diǎn)，且兩者之間的溫差從最初的1.8 ℃擴(kuò)大為試件極限破壞時(shí)的30.4 ℃，表明其他條件相同時(shí)，距受火側(cè)面越近，測點(diǎn)溫度越高.

時(shí)間/min

時(shí)間/min

3#,8#測點(diǎn)的埋置深度、距受火表面的距離均近似相同，但8#測點(diǎn)與受火面之間存在榫頭與卯口之間的2～4 mm的微小間隙而3#測點(diǎn)沒有這條間隙.試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)3#,8#測點(diǎn)的溫度幾乎相同，兩者之間的最大溫差僅為5.1 ℃，表明榫頭與卯口之間2～4 mm的微小間隙對木材的傳熱幾乎沒有影響.

將無防火涂料試件(k50)和四面防火涂料試件(kp50)進(jìn)行測點(diǎn)2#，7#的溫度數(shù)據(jù)對比，結(jié)果見圖13.可以看出，涂刷防火涂料后，測點(diǎn)溫度明顯降低，從而降低了木材的炭化速度，并最終極大地提高了試件的耐火極限.

將試件k25，k37.5和k50測點(diǎn)2#,7#的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見圖14.為更好地進(jìn)行對比，圖中的溫度為相對于各自初始溫度的溫差.對于2#測點(diǎn)，持荷水平為50%的試件溫度上升速率要遠(yuǎn)大于持荷水平為25%的試件，對于7#測點(diǎn)，持荷水平為50%的試件和持荷水平為25%的試件溫度上升速率基本相同，因此可以看出，持荷比對測點(diǎn)溫度上升速率的影響并沒有明顯的規(guī)律性.

時(shí)間/min

時(shí)間/min

時(shí)間/min

3結(jié)語

1)對比試件的梁跨中豎向位移基本隨荷載線性變化，并沒有明顯屈服點(diǎn)，延性較差.

2)耐火極限試驗(yàn)中，k37.5的耐火極限比k25降低了25.4%，k50的耐火極限比k37.5降低了52.3%，這表明隨著持荷水平的增加，試件耐火極限減小，同時(shí)在持荷水平較低時(shí)，持荷水平對試件耐火極限影響較小.

3)對試件表面涂刷防火涂料可在較大程度上提高榫卯節(jié)點(diǎn)的耐火極限.

4)持荷比對測點(diǎn)溫度上升速率的影響并沒有明顯的規(guī)律性.

5)榫頭與卯口之間2～4 mm的微小間隙對傳熱的影響幾乎可以忽略.

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Experiment Study on Fire Endurance of Mortise-tenon Joint in Timber Structures

ZHANG Jin1?, WANG Bin1, ZONG Zhong-ling2，HOU Shi-tong1, BAI Yi-wei1

(1.Key Lab of Concrete and Prestressed Concrete Structures of China Ministry of Education,Southeast Univ, Nanjing，Jiangsu210096, China; 2.School of Civil Engineering, Huaihai Institute of Technolgy, Lianyungang,Jiangsu222005, China)

Abstract:To learn the fire resistance performance of wood mortise-tenon joints of commonly used wooden species in China, 4 framed mortise-tenon joints commonly used in ancient wooden structures were exposed to fire, and 1 contrast specimen of bearing capacity test was experimentally studied. It is found that, in the capacity test, the vertical displacement of the contrast specimen in the middle of the beam changes linearly with the load. Meanwhile, there is no obvious yield point and the specimen has poor ductility. The value of the constant load of 4 specimen applied in the fire endurance test was identified according to the bearing capacity of the reference specimen and the different load ratio. The fire endurance of specimen with a load ratio of 25%, 37.5% and 50% was 59, 44, 21 minutes respectively, and the fire endurance of the specimen with fire proof coating and a load ratio of 50% was 58 minutes, which indicates that the decrease of load ratio and the fire proof coating can both effectively increase the fire endurance of mortise-tenon connection. Temperature data have shown that the load ratio has little impact on the rate of temperature rise, and the small gaps of 2～4 mm between the tenon and the mortise has little impact on the heat transfer of wood.

Key words:mortise-tenon joint; fire endurance; section temperature; load level; failure mode

中圖分類號：TU366.2；TU352.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張晉(1974-)，男，安徽巢湖人，東南大學(xué)副教授，博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:zhangjin0622@139.com

*收稿日期：2014-09-15基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178115)，National Natural Science Foundation of China(51178115) ；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012239)

文章編號：1674-2974(2016)01-0117-07