高溫后木柱軸壓性能試驗研究*

康 偉,羅卓卓,張繼承

(1.中交一航局第四工程有限公司,天津 300000; 2.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

本文進(jìn)行落葉松木柱高溫后軸向力學(xué)性能試驗,研究截面類型、溫度和恒溫時間等對木柱軸向力學(xué)性能的影響規(guī)律,為合理評價木結(jié)構(gòu)火災(zāi)后性能提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

本試驗共制備了52根高度相同的木質(zhì)短柱,包括26根圓形木柱和26根方形木柱,并將48個試件暴露在高溫下。所有試件均根據(jù)截面類型、溫度和恒溫時間參數(shù)進(jìn)行標(biāo)注,詳細(xì)信息如表1所示。在試件制作過程中,對木柱端的上、下表面進(jìn)行拋光,使木柱兩端完全平整,這樣可避免試壓過程中柱端局部受力不均勻。試件制作完成后及時密封保存。

表1 試驗試件參數(shù)

1.2 試驗材料與儀器

試驗中所用的木材由我國東北落葉松(Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen.)原木制成,自然干燥期為一年,考慮到木材的差異性較大,選取了足夠的試件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

試驗用到的儀器包括:①力學(xué)性能試驗使用的萬能試驗機,極限承載力為1 000kN,如圖1所示;②自動控制升溫的高溫爐,如圖2所示;③其他輔助儀器,如精度為0.01mm的電子游標(biāo)卡尺,精度為0.01g的電子秤等。

圖1 試驗裝置

圖2 高溫爐

1.3 試件的高溫處理過程

試件于高溫試驗爐內(nèi)進(jìn)行加溫處理,該試驗爐為手動輸入程序,自動控制升溫,最高溫度為 1 200℃, 其精度能較好滿足試驗要求。高溫處理完成后對所有試件再次進(jìn)行稱量記錄,并準(zhǔn)確記錄高溫處理時間。試件高溫處理前后均密封保存。

高溫處理完成后,使用1 000kN液壓萬能試驗機對木柱進(jìn)行壓縮試驗。為了測量試件在加載過程中的變形情況,在每根方木柱上粘貼4個應(yīng)變片(ε1～ε4),應(yīng)變片粘貼前需先去除木柱表面的炭化層和高溫分解層。在方木柱的中間高度粘貼2個應(yīng)變片(ε1,ε2);在側(cè)面中間高度靠近邊緣位置粘貼2個應(yīng)變片(ε3,ε4,命名為拐角位置),以分別獲得縱向和橫向應(yīng)變,如圖3a所示。對于圓形木柱,在每根圓形木柱中粘貼2個應(yīng)變片(ε5,ε6),2個應(yīng)變片均位于試件中心,分別用于測量縱向和橫向應(yīng)變。應(yīng)變片布置細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 應(yīng)變片布置

1.4 加載裝置與加載制度

木柱在1 000kN液壓萬能試驗機上進(jìn)行試驗,采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如圖1b所示。正式加載前先進(jìn)行預(yù)壓以減少系統(tǒng)誤差。試驗采用連續(xù)均勻加載方式,加載速度為1.0mm/min,當(dāng)荷載下降至極限荷載的85%時試驗結(jié)束。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

木材質(zhì)量損失率測定方法以參考GB/T 13942.1—2009《木材耐久性能 第1部分:天然耐腐性實驗室試驗方法》為主。

試樣高溫處理后的質(zhì)量損失率以百分?jǐn)?shù)計算表示,計算公式如下:

式中:W1為試樣試驗前的全干質(zhì)量;W2為試樣試驗后的全干質(zhì)量。

經(jīng)過計算整理得到方木和圓木在不同溫度、不同恒溫時間作用下的質(zhì)量損失率,如圖4所示。

圖4 不同溫度、不同恒溫時間作用下木材質(zhì)量損失率柱狀圖

由圖4a可看出,方木在恒溫時間相同的情況下,溫度為100,200℃時,試件的質(zhì)量損失率變化不明顯,此時方木主要為脫水失重,恒溫為45min的質(zhì)量損失率分別為1.75%和3.77%;當(dāng)溫度達(dá)到250℃時,質(zhì)量損失率明顯增大,達(dá)8.24%,約為溫度為200℃時的2.2倍;當(dāng)溫度達(dá)到300℃時,質(zhì)量損失率達(dá)13.34%,溫度高達(dá)300℃時質(zhì)量損失包括水分蒸發(fā)及木材炭化的損失;由圖4b可看出,圓木在恒溫時間相同的情況下,質(zhì)量損失率變化規(guī)律與方木大致相同,當(dāng)溫度達(dá)到250℃時,質(zhì)量損失率明顯增大,達(dá)9.5%,當(dāng)溫度達(dá)到300℃時,質(zhì)量損失率達(dá)15.79%;總體來說,圓木的質(zhì)量損失率都比方木大一些。有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)溫度>200℃時木材發(fā)生了熱解反應(yīng)。木材熱解一般在200～250℃發(fā)生,木材熱解分為纖維素?zé)峤夂湍举|(zhì)素分解2個階段:第1階段纖維素快速失重,第2階段主要是木質(zhì)素緩慢熱解。

在處理溫度相同的情況下,如圖4a所示,隨著恒溫時間的延長方木質(zhì)量損失率也逐漸增大。在處理溫度<200℃時,恒溫時間對方木質(zhì)量損失率有較明顯影響,當(dāng)處理溫度為100℃時,恒溫時間從15min增至45min,方木的質(zhì)量損失率增加81%;>200℃后,恒溫時間對方木質(zhì)量損失率影響變小,當(dāng)處理溫度為300℃時,恒溫時間從15min增至45min,方木的質(zhì)量損失率增加21%,為100℃處理溫度的1/4,這是因為大部分質(zhì)量損失已在短時間內(nèi)完成。如圖4b所示,恒溫時間對圓木質(zhì)量損失率的影響與方木一致,在處理溫度<200℃時,恒溫時間對圓木質(zhì)量損失率有較明顯影響;>200℃后,恒溫時間對圓木質(zhì)量損失率影響明顯變小。當(dāng)處理溫度為300℃時,恒溫時間從15min增至45min,圓木的質(zhì)量損失率增加24%,是溫度為100℃的1/3,且圓木的質(zhì)量損失率均比方木更高一些。

綜上可見,隨著處理溫度的升高和恒溫時間的增加,木柱的質(zhì)量損失率均呈遞增趨勢,其中溫度對木柱質(zhì)量損失的影響顯著大于恒溫時間,且圓木的質(zhì)量損失比方木高。

2.2 破壞形態(tài)

根據(jù)破壞現(xiàn)象可將破壞模式分為4種類型,即剪切破壞、劈裂破壞、劈裂破壞與剪切破壞組合和底部壓縮破壞,如圖5所示。

試驗完成后,記錄所有試件的極限承載力和破壞模式,詳細(xì)信息如表2所示。

表2 所有試件試驗結(jié)果

圖5a中方木柱為剪切破壞,可看到斜裂縫發(fā)生在方木柱中間高度偏上位置,由表2可看到,有5根方木柱為剪切破壞,所有處理溫度為100℃和未經(jīng)高溫處理的方木柱均以剪切破壞失效。由圖5b可看出,破壞模式為劈裂破壞,裂縫主要為較大的縱向貫穿裂縫,主要出現(xiàn)在方木柱邊緣位置,由表2可看到,有4根方木柱為劈裂破壞,且劈裂破壞試件的處理溫度比剪切破壞試件的溫度高。由圖5c可看出,破壞模式為劈裂與剪切破壞組合,劈裂裂縫出現(xiàn)在方木柱邊緣位置,剪切斜裂縫出現(xiàn)在方木柱中間偏上位置,由表2可看到,只有2根方木柱為劈裂與剪切破壞組合失效。圖5d中方木柱為底部壓縮破壞,壓縮破壞表現(xiàn)為底部被壓碎,且底部有嚴(yán)重炭化,由表2可看到,只有2根方木柱為底部壓縮破壞,且都是處理溫度為300℃的試件;底部壓碎的方木柱極限承載力明顯低于其他試件。

注:Nu表示極限荷載,Per表示極限承載力下降百分率,K表示初始剛度,Δy表示屈服位移,Δu表示極限位移,μ表示延性系數(shù)(μ=Δu/Δy)

根據(jù)破壞現(xiàn)象可將破壞模式分為3種類型,即剪切破壞、劈裂破壞和底部壓縮破壞,比方木柱的類型少1種,如圖6所示。

圖6 圓木柱破壞模式

圖6a中圓木柱為剪切破壞,與方木柱一樣,斜裂縫都出現(xiàn)在試件偏上位置,且處理溫度為100℃和未經(jīng)高溫處理的圓木柱均以剪切破壞失效。劈裂破壞模式如圖6b所示,裂縫未貫穿且裂縫旁邊有微小的縱向裂縫,由表2可看到,有6根圓木柱為劈裂破壞,且劈裂破壞試件的處理溫度比剪切破壞試件(除試件C-200-15)的溫度高。圖6c中圓木柱為底部壓縮破壞,壓縮破壞表現(xiàn)為底部被壓碎,且底部有嚴(yán)重炭化,由表2可看到,底部壓縮破壞的試件都是處理溫度為300℃的試件,與方木柱一樣。

總之,未經(jīng)歷高溫的試件發(fā)生剪切破壞,試件在高溫下的破壞模式發(fā)生了變化,由表2可看到,處理溫度達(dá)到200℃時,大部分為劈裂破壞;處理溫度達(dá)到300℃時,發(fā)生底部壓縮破壞。

2.3 荷載-應(yīng)變曲線

試件不同高溫溫度和不同恒溫時間的荷載-應(yīng)變曲線如圖7,8所示。荷載-應(yīng)變曲線與方形試件中應(yīng)變測試點間的關(guān)系如圖7a所示,ε1和ε3的垂直點用實線表示,ε2和ε4的水平點用虛線表示;荷載-應(yīng)變曲線與放置在圓形試件上的應(yīng)變測試點間的關(guān)系如圖8a所示,ε5的垂直點和ε6的水平點分別用實線和虛線表示。如圖7,8所示,所有試件的應(yīng)變均隨著荷載的增加而增大。

圖7 方木柱荷載-應(yīng)變曲線

圖8 圓木柱荷載-應(yīng)變曲線

方形木柱在不同溫度下的荷載-應(yīng)變曲線如圖7b所示。在方形試件的中心區(qū)域,未經(jīng)歷高溫試件的橫向和縱向最大應(yīng)變值均大于經(jīng)歷不同溫度的試件。對比經(jīng)歷不同溫度試件的應(yīng)變,處理溫度越高最大應(yīng)變值越低,然而,在相同荷載水平下,試件的縱向和橫向應(yīng)變無一致變化,發(fā)現(xiàn)溫度對應(yīng)變的影響離散。對于方形試件的角部區(qū)域,除拐角區(qū)域的S-100-30試件外,未經(jīng)歷高溫試件的應(yīng)變增長速率均大于經(jīng)歷不同溫度的試件;未經(jīng)歷高溫試件的應(yīng)變值比經(jīng)歷高溫試件的應(yīng)變值大,此外,除S-300-30試件外,拐角處應(yīng)變的上升趨勢較小,說明試件拐角區(qū)域的抗變形性能要優(yōu)于試件中心區(qū)域。與試件中心應(yīng)變相比,隨著荷載的增加,試件拐角處的應(yīng)變均比中心位置的應(yīng)變小,試件中心和拐角處的橫向應(yīng)變的極限值均小于縱向應(yīng)變極限值。

方形木柱不同恒溫時間的荷載-應(yīng)變曲線如圖7c所示。在試件中心位置,經(jīng)歷高溫的試件極限應(yīng)變值隨著恒溫時間的增加而變小;并且隨著恒溫時間的增加,當(dāng)在同一荷載水平時,縱向(ε1)應(yīng)變值在變大,而橫向(ε2)應(yīng)變值在變小。在試件拐角位置,除了S-250-30試件的橫向(ε2)應(yīng)變值之外,應(yīng)變值變化規(guī)律與中心位置一樣,總體而言,經(jīng)歷高溫試件的應(yīng)變值均隨著恒溫時間的增加而變小,與中心位置應(yīng)變相比,拐角處的應(yīng)變極限值均小于中心位置。試件縱向的極限應(yīng)變值始終大于橫向的極限應(yīng)變值。

圓形試件經(jīng)歷高溫后不同溫度的荷載-應(yīng)變曲線如圖8b所示,對于經(jīng)歷不同溫度的圓形試件,在相同荷載水平下,未經(jīng)歷高溫的試件橫、縱向應(yīng)變均分別小于經(jīng)歷不同溫度試件的橫、縱向應(yīng)變;對比經(jīng)歷不同溫度時間的試件可發(fā)現(xiàn),處理溫度越高,試件的極限應(yīng)變值就越小;除C-100-30試件外,試件的應(yīng)變增長速率隨著溫度的增加而變小。

圓形試件經(jīng)歷不同恒溫時間的荷載-應(yīng)變曲線如圖8c所示,不同恒溫時間試件的縱向和橫向應(yīng)變無一致變化,說明恒溫時間對高溫后圓形試件的橫向和縱向應(yīng)變的影響離散。由圖8c也可看出,試件經(jīng)歷的恒溫時間越長,其極限應(yīng)變值越小?？傮w而言,所有試件的極限應(yīng)變值均隨著溫度和恒溫時間的增加而變小,對比試件的橫向和縱向應(yīng)變,可發(fā)現(xiàn)試件的縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變。

3 參數(shù)分析

木柱的試驗結(jié)果如表2所示,K為初始剛度,定義為彈性階段荷載-位移曲線的斜率,彈性階段的初始剛度是物體在彈性階段抵抗外力變形的能力,可表示為K=P/Δ,在本文中,軸向荷載P為40%的極限荷載(Nu)。用延性系數(shù)μ(μ=Δu/Δy)表示試件的延性。屈服位移(Δy)通過使用軸向荷載與垂直變形曲線的割線獲得,該曲線穿過軸向荷載達(dá)到極限荷載的75%(0.75Nu)的點。極限位移(Δu)對應(yīng)荷載-位移曲線上的極限荷載(Nu)。

3.1 溫度的影響

不同的處理溫度對木柱極限承載力的影響如圖9所示,如表2所示,用極限承載力下降百分率(Per)表示高溫處理后試件極限承載力的下降比例。由圖9a可知,當(dāng)恒溫時間相同時,方木柱的極限承載力隨著溫度的升高而降低;從100℃升至200℃時,木柱極限承載力下降較平緩,處理溫度>200℃后,極限承載力大幅度下降。但不同恒溫時間作用下降低幅度不同,當(dāng)恒溫時間為15min時,在處理溫度為100,200,250,300℃下,木柱的極限承載力分別比未經(jīng)歷高溫木柱(S-常溫)下降5.0%,8.5%,23.9%,47.3%。

圖9 荷載-溫度曲線

如圖9b所示,圓木柱的極限承載力隨處理溫度的變化規(guī)律與方木柱一致,極限承載力均在溫度200℃前下降幅度較小,>200℃后大幅度下降。當(dāng)恒溫時間為15min時,在處理溫度為100,200,250,300℃下,圓木柱的極限承載力分別比未經(jīng)歷高溫木柱(C-常溫)下降1.5%,4.5%,28.8%,51.3%,可見當(dāng)溫度>200℃后,極限承載力下降變快。圓木柱和方木柱的極限承載力隨溫度的變化規(guī)律與2.1節(jié)中質(zhì)量損失率的變化規(guī)律一致。

綜上可見,當(dāng)木柱經(jīng)歷高溫時,木柱的極限承載力都會降低,且處理溫度>200℃時極限承載力下降幅度變大;方木柱的極限承載力均大于圓木柱,說明方木柱的軸心受壓能力優(yōu)于圓木柱;此外,由表2可看出,圓木柱在高溫作用下的極限承載力下降幅度大于方木柱,說明高溫對圓木柱極限承載力的影響比對方木柱的更大。

3.2 恒溫時間的影響

不同的恒溫時間對木柱極限承載力的影響如圖10所示,如圖10a所示,溫度為100℃時,當(dāng)恒溫時間從15min增至45min,方木柱的極限承載力下降幅度很小,為8.4%;溫度為200℃時,方木柱極限承載力下降幅度與100℃時相差不大,說明當(dāng)溫度很低時,恒溫時間的增加對方木柱的極限承載力影響很小。溫度為250,300℃時,恒溫時間從15min增至45min,方木柱極限承載力分別下降25.7%和26.2%,與100℃相比,方木柱極限承載力快速下降,說明當(dāng)處理溫度>200℃時,恒溫時間對方木柱的極限承載力有很大影響。

圖10 荷載-恒溫時間曲線

如圖10b所示,圓木柱的極限承載力總體趨勢呈現(xiàn)為隨著恒溫時間的增加而降低,但降低幅度不相同,溫度為100℃時,當(dāng)恒溫時間從15min增至45min時,圓木柱極限承載力下降6.6%;溫度為250℃或300℃時,恒溫時間從15min增至45min,圓木柱極限承載力分別下降21.9%和49.6%。與方木柱相比,圓木柱極限承載力下降幅度大于方木柱,這表明恒溫時間對圓木柱極限承載力的影響比對方木柱的更大。

4 結(jié)語

1)隨著處理溫度的升高和恒溫時間的增加,木柱的質(zhì)量損失率均呈遞增趨勢,其中圓木柱的質(zhì)量損失率總體高于方木柱,且溫度對木柱質(zhì)量損失的影響顯著高于恒溫時間。

2)處理溫度<200℃的木柱呈剪切破壞,處理溫度>200℃的木柱呈劈裂破壞和底部壓縮破壞,且方木柱還出現(xiàn)劈裂和剪切組合破壞;總體來說,高溫使木柱的破壞模式發(fā)生改變。

3)所有試件的極限應(yīng)變值均隨著溫度和恒溫時間的增加而變小,方木柱拐角區(qū)域的抗變形性能要優(yōu)于中心區(qū)域;試件的縱向極限應(yīng)變值始終大于橫向極限應(yīng)變值。

4)木柱經(jīng)歷高溫后極限承載力下降,試件極限承載力平均下降21%,圓木柱極限承載力下降幅度大于方木柱極限承載力下降幅度。