受拉木構件耐火極限分析

方 敢 志

(長安大學建筑工程學院，陜西 西安　710061)

木結構作為一種傳統(tǒng)的結構形式，在我國的建筑歷史中一直扮演著舉足輕重的地位。然而，木結構面臨火災吞噬的威脅。Firmanti等[1]進行了木梁耐火極限試驗，結果表明：持荷水平對木梁的耐火極限有影響。張晉等[2]進行了榫卯節(jié)點耐火極限試驗，結果表明：減小持荷比可提高耐火極限。利用ABAQUS建立了受火的受拉木構件的有限元模型，數值分析了不同持荷水平、偏心距下受拉木構件的耐火極限。

1　材料性能及其本構關系

1.1　高溫下木材的熱工性能

1)密度。木材是一種有機物，高溫易分解，致使木材密度減小。針對木材的這一特點，EC5[3]給出了木材在高溫下的密度折減模型(見圖1)。

2)熱傳導率。諸多學者對木材的熱傳導率進行了研究，并得到了不同的研究結果。EC5[3]也給出了木材熱傳導率隨溫度變化的曲線(見圖2)。

3)比熱容。針對木材比熱容，國外學者對其有深入的研究，并取得了一定成果，而EC5[3]中也給出了其關系曲線(見圖3)。

1.2　高溫下木材的力學性能

1)拉壓強度。諸多研究表明木材的拉壓強度均在高溫下呈降低的趨勢。其中，EC5[3]也給出了相應的雙折線強度折減模型，如圖4所示。

2)彈性模量。針對高溫下木材的彈性模量，諸多學者展開了相應的研究。其中，EC5[3]中也給出了相應的雙折線彈性模量模型，如圖5所示。

1.3　本構模型

針對本文的研究，假定木材拉應力達到抗拉強度ft時發(fā)生脆性破壞，不考慮其應變軟化，且彈性階段，應力—應變成線性關系。

2　分析方法及基本條件

本文則采用間接耦合分析方法，火災的升溫過程采用ISO 834標準升溫曲線來模擬，木構件與周圍介質間的熱量傳遞采用熱對流和熱輻射實現，同時EC1[4]給定了受火面、非受火面的熱對流換熱系數分別為25 W/(m2·K)和9 W/(m2·K)，綜合輻射系數為0.8。

3　有限元分析

3.1　模型參數

本文設計了5根四面受火試件進行對比分析，具體尺寸參數見表1。各試件的物理力學性能參數采用文獻[5]中楊木試驗值，氣干密度356 kg/m3，順拉強度18 MPa，順壓強度16.5 MPa，順紋彈模參考《木結構設計手冊》[6]建議，取4 136 MPa，泊松比0.355。

表1　試件基本參數

3.2　數值模擬結果

模擬了5根受火木構件的截面溫度云圖和應力云圖，得到了各試件的位移變化曲線。

1)拉力F=120 kN。

2)拉力F=145 kN。

3)拉力F=160 kN。

4)偏心距e0=16 mm。

5)偏心距e0=25 mm。

根據圖6，圖7，圖11，圖12，圖16，圖17，圖21，圖22，圖26，圖27的數值結果，可得以下結論：

1)從圖8，圖13，圖18，圖23及圖28可知，距離受火面越遠的區(qū)域，其溫度越低。

2)從圖9，圖14，圖19可知，對于軸拉木構件，初始時間內，各試件截面的應力S33基本保持均勻分布，隨受火時間的增長，距離受火面較近區(qū)域的應力S33逐漸趨近0，而距離受火面較遠的中心區(qū)域的應力S33逐漸增大，至試件破壞時達最大；圖9，圖24，圖29可知，對于偏拉木構件，初始時間內，隨偏心距的增加，拉應力峰值逐漸向受壓區(qū)靠近，且受壓區(qū)由拉應力變?yōu)閴簯Α?/p>

3)從圖10，圖15以圖20可知，拉力為120 kN,145 kN及160 kN的軸拉木構件的耐火極限分別為35.2 min,33.7 min,27.3 min；從圖10，圖25，圖30可知，偏心距為0 mm,16 mm,25 mm的偏拉木構件的耐火極限各為35.2 min,35.5 min,30.9 min。

4　結語

通過5根不同持荷水平、偏心距的受拉木構件的耐火極限分析，本文得出以下結論：

1)持荷水平對耐火極限有影響，在一定條件下，耐火極限隨持荷水平的增大而減小。

2)荷載偏心對受拉木構件的耐火極限有一定的影響。