內(nèi)夾單層鍍鋅板復(fù)合望板系統(tǒng)耐火性能研究

郭世慶，劉永軍

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168)

0 引言

據(jù)2021 年第七次全國人口普查數(shù)據(jù)，居住在村鎮(zhèn)中的戶籍人口已占同期全國總?cè)丝诒壤s36.11%。在村鎮(zhèn)建筑中，木材因其綠色環(huán)保且造價(jià)低廉的特點(diǎn)成為必不可少的建筑材料。由于木材易于燃燒，使得建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性加大。一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明火，構(gòu)件表面充分與空氣接觸，又因空氣補(bǔ)給快，一旦起火，火勢(shì)很容易蔓延。因此，火災(zāi)仍然是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的主要建筑隱患與致命威脅之一。2017 年5 月26 日，貴州省榕江縣仁吉村發(fā)生一起火災(zāi)，火災(zāi)燒毀房屋24 間，受火面積為1 561 m2，3人死亡，造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失約160 萬元。2020 年1 月1 日，貴州省從江縣上歹村發(fā)生火災(zāi)，一間房屋起火后相鄰建筑屋也被燒毀，最后燒毀房屋數(shù)量?jī)砷g，面積約200 m2，5 人死亡，損失慘重。2021 年2 月14 日，云南省翁丁老寨發(fā)生火災(zāi)，燒毀房屋104 棟，造成的經(jīng)濟(jì)損失無法估量。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于木結(jié)構(gòu)耐火性能已做了大量研究。Elza MM Fonseca 等[1]研究了木板中夾入鋼板的結(jié)構(gòu)的耐火性能。研究結(jié)果表明，鋼板在一定程度上隔絕了火源和木材的接觸，增加了耐火時(shí)間，但高溫導(dǎo)致鋼板附近的木材焦化嚴(yán)重。Richardson[2]等研究了如何改善既有建筑木屋面和木露面的耐火極限。研究表明，在木樓蓋下方安裝石膏板是提高耐火極限性能的有效方法。北京建筑大學(xué)劉棟棟等[3]通過有限元軟件對(duì)木結(jié)構(gòu)屋架在常溫和高溫下進(jìn)行模擬，研究表明，在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下，木結(jié)構(gòu)屋架檁條以下的主體受力結(jié)構(gòu)耐火極限能達(dá)到60 min，高于椽子和望板的耐火極限。

由于村鎮(zhèn)地區(qū)屋頂系統(tǒng)大多為傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)和冷攤瓦屋頂系統(tǒng)兩種。本文提出了一種新型的內(nèi)夾單層鍍鋅板木-鋼復(fù)合望板屋頂系統(tǒng)。該構(gòu)件是由兩層傳統(tǒng)薄木望板中間夾一層薄鍍鋅板組成，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保且價(jià)格低廉，能夠廣泛用于村鎮(zhèn)地區(qū)。本文采用Abaqus 模擬軟件建立的有限元分析模型，在標(biāo)準(zhǔn)的升溫曲線情況下，對(duì)上述三種屋頂系統(tǒng)均進(jìn)行了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的分析，后又在溫度場(chǎng)分析模型的研究基礎(chǔ)上，采用了熱應(yīng)力順序耦合法的分析形式，在同等荷載的作用下進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比分析。為該類屋頂結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供參考。

1 建立有限元模型

分析模型源于甘肅省張掖市樂民縣高郝村，如圖1 所示。依據(jù)實(shí)體構(gòu)件建立相對(duì)應(yīng)的有限元模型，分析構(gòu)件上的溫度場(chǎng)變化分布等情況以及火災(zāi)條件影響下和相同載荷環(huán)境下產(chǎn)生的有限元結(jié)構(gòu)性能變化情況。具體的模型結(jié)構(gòu)包括木梁、木板以及鍍鋅鋼板，梁、木板、鋼板之間均由鐵釘連接。在模型建立中，為了保證唯一變量條件，三個(gè)屋頂系統(tǒng)木梁直徑及木板總體厚度相同。在結(jié)構(gòu)組成上，新型復(fù)合望板系統(tǒng)由兩層木望板夾一層鍍鋅鋼板組成，傳統(tǒng)望板系統(tǒng)中只有一層木望板，冷攤瓦系統(tǒng)則是將木板間留出空隙。構(gòu)件具體尺寸如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)屋頂系統(tǒng)

圖2 構(gòu)件模型

利用Abaqus 軟件建立裝配模型，定義各項(xiàng)裝配材料屬性，后即可對(duì)裝配體系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件逐一進(jìn)行裝配。由于足尺模擬構(gòu)件尺寸相對(duì)于起固定作用的鋼釘較大，故將鋼釘忽略。試件裝配體模型如圖3 所示。

圖3 屋頂系統(tǒng)裝配示意圖

研究三種屋頂系統(tǒng)耐火極限的有限元模擬分析方法選用熱應(yīng)力順序耦合法。該方法分為溫度場(chǎng)模擬和結(jié)構(gòu)場(chǎng)模擬兩種方式進(jìn)行。首先進(jìn)行模型內(nèi)部的溫度場(chǎng)模擬分析，得出在各個(gè)溫度環(huán)境中，各材料體系及相關(guān)構(gòu)件的局部升溫情況，再將該材料升溫情況分別導(dǎo)入應(yīng)力場(chǎng)模型系統(tǒng)中，施加相同荷載作用力，計(jì)算得出兩種主要荷載共同作用狀態(tài)下材料的各構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能變化情況。

2 溫度場(chǎng)分析

2.1 建立模型及劃分網(wǎng)格

該溫度場(chǎng)分析模型具體尺寸采用實(shí)例數(shù)據(jù)，網(wǎng)格尺寸為20 mm，如圖4。

圖4 新型望板網(wǎng)格劃分圖

2.2 材料參數(shù)設(shè)置

溫度場(chǎng)模擬中，只需考慮材料的熱工性能。熱工性能包括導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容，將鍍鋅鋼板視為鋼材，本文參考?xì)W洲規(guī)范EN 1995-1-2[4]和EN 1993-1-2[5]分別對(duì)木材和鋼材的熱工性能進(jìn)行取值。

2.3 邊界條件與接觸方式

溫度場(chǎng)分析時(shí)采用ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線并按照現(xiàn)實(shí)火災(zāi)發(fā)生情況設(shè)置受火區(qū)域。在新型木-鋼結(jié)構(gòu)望板模型和傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)望板模型中，木梁表面區(qū)域及木板下表面區(qū)域設(shè)置受火，在冷攤瓦模型中，木梁表面及木板下、側(cè)表面區(qū)域受火。其余部分則全部設(shè)置為不受火災(zāi)直接作用，如圖5 所示。設(shè)置材料的起始溫度為20 ℃，受火面熱對(duì)流交換系數(shù)為25 (W/m2℃)時(shí)，非受火面熱對(duì)流交換系數(shù)9 (W/m2℃)，鋼材表面的熱輻射系數(shù)取值為0.7，木材取值0.8，接觸面采用綁定的方式來設(shè)置，使材料其表面熱量能夠在不同類型材料間傳遞[6]。

圖5 屋頂系統(tǒng)受火示意圖

2.4 溫度場(chǎng)分析結(jié)果

2.4.1 傳統(tǒng)望板系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析結(jié)果

圖6 為不同時(shí)刻傳統(tǒng)木望板的截面溫度云圖，從截面云圖中可以看出，隨著火災(zāi)溫度的不斷升高，木梁、望板的炭化層深度也不斷加深。在Abaqus 模擬中設(shè)置木材在升溫過程中的炭化界限溫度為300 ℃[7]，云圖中灰色區(qū)域代表此處木材已經(jīng)發(fā)生炭化。

圖6 傳統(tǒng)望板各時(shí)刻跨中截面溫度場(chǎng)云圖

在t=300 s 時(shí)，受火面在火荷載作用下，溫度不斷升高，此時(shí)望板下端和木梁表面溫度已經(jīng)超過300 ℃，開始炭化。

在t=900 s 時(shí)，此時(shí)望板下端和木梁表面已經(jīng)炭化完全，在火荷載和熱量表面?zhèn)鬟f作用下，炭化層進(jìn)一步加深。

在t=1 500 s 時(shí)，熱量由受火面的高溫區(qū)傳遞到背火面的低溫區(qū)，此時(shí)剩余未炭化厚度僅3.8 mm（圖6）。

2.4.2 冷攤瓦系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析結(jié)果

圖7 為不同時(shí)刻冷攤瓦屋頂系統(tǒng)的截面溫度云圖，從截面云圖中可以看出，隨著火災(zāi)溫度的不斷升高，木梁、望板的炭化層深度也不斷加深。由于冷攤瓦系統(tǒng)中，木板間有空隙，所以木板為三面受火。

圖7 冷攤瓦各時(shí)刻跨中截面溫度場(chǎng)云圖

在t=300 s 時(shí)，受火面在火荷載作用下，溫度不斷升高，此時(shí)望板下端和木梁表面溫度已經(jīng)超過300 ℃，開始炭化。

在t=900 s 時(shí)，木梁炭化深度同傳統(tǒng)望板基本一致，但由于木板為三面受火作用，木板炭化速度更快，此時(shí)剩余未炭化厚度僅為4.5 mm。

在t=1 500 s 時(shí)，剩余木梁未炭化區(qū)域直徑18.3 mm，木板已全部炭化，如圖7。

2.4.3 新型木-鋼望板系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析結(jié)果

圖8 為不同時(shí)刻新型木-鋼望板系統(tǒng)的截面溫度云圖，從截面云圖中可以看出，隨著火災(zāi)溫度的不斷升高，木梁、望板的炭化層深度也不斷加深。但由于在兩層木望板間夾一層鍍鋅鋼板，在同等厚度望板的前提下，鋼板很大程度上阻隔了熱量向上傳遞，減緩了上層木板炭化速度。

圖8 新型木-鋼望板各時(shí)刻跨中截面溫度場(chǎng)云圖

在t=300 s 時(shí)，受火面在火荷載作用下，溫度不斷升高，此時(shí)望板下端和木梁表面溫度已經(jīng)超過300 ℃，開始炭化。

在t=900 s 時(shí)，木梁炭化深度同傳統(tǒng)望板基本一致，下層木望板基本炭化完全，但由于鍍鋅鋼板的作用，阻隔了熱量向上傳遞，上層木望板并沒有發(fā)生炭化現(xiàn)象。

在t=1 500 s 時(shí)，木梁炭化深度同傳統(tǒng)望板基本一致，下層木望板炭化完全，由于鍍鋅鋼板的作用，上層木望板仍沒有發(fā)生炭化，如圖8。

2.4.4 三種屋頂系統(tǒng)溫度場(chǎng)對(duì)比分析

1）新型復(fù)合望板在木板同等厚度的前提下增加了一層0.4 mm 的鍍鋅鋼板，在鍍鋅鋼板的作用下除了整體耐火性能提高外，新型復(fù)合望板的保溫隔熱性也有很大程度提高。

2）新型復(fù)合望板中由于有鍍鋅鋼板的存在，上層望板與下層望板被鍍鋅鋼板分為上下兩個(gè)區(qū)域，當(dāng)下層區(qū)域的熱量傳遞到上層區(qū)域時(shí)，由于火焰不能直接引燃上層望板，在上層望板與鍍鋅鋼板之間產(chǎn)生的可燃?xì)怏w短期內(nèi)會(huì)從網(wǎng)板間的空隙排放到空氣中，因此降低了上層望板的溫度上升速度，如圖9。

圖9 各測(cè)點(diǎn)升溫圖

3 結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析

3.1 材料參數(shù)設(shè)置

模擬的木材為花旗松，常溫情況下的平均木材密度為約為480 kg/m3,含水率約為10.4%[8]，彈性模量選用工程常數(shù)，塑性強(qiáng)度采用Hill 屈服準(zhǔn)則定義[9]。順紋彈性模量為10 178 MPa，順紋抗拉強(qiáng)度為78 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為29.38 MPa，其他木材參數(shù)參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[10]建議進(jìn)行取值，如表1。

表1 木材本構(gòu)關(guān)系模型參數(shù)

薄鋼板材料選用Q345 型鋼，鋼材彈性模量為2.06×105MPa，按照fk=f（1-1.645v）取屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，屈服強(qiáng)度平均值分別為406 MPa 和754 MPa。

高溫下，木材的力學(xué)性能按照EN 1995-1-2 進(jìn)行折減，鋼板的力學(xué)性能按照EN 1993-1-2 進(jìn)行折減。需要注意的是，EN 1995-1-2 建議300 ℃時(shí)木材的彈性模量與強(qiáng)度取值為0，Abaqus 中無法定義0 彈性模量及0 強(qiáng)度，因此將300 ℃的彈性模量、強(qiáng)度取為常溫下的1/100。

鋼材的熱膨脹系數(shù)（單位m/m*K）

3.2 建立模型與劃分網(wǎng)格

結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析模型的建立與溫度場(chǎng)分析模型一致，現(xiàn)實(shí)中木梁直接固定在柱子上，在Abaqus 直接設(shè)為完全固定即可。網(wǎng)格劃分與溫度場(chǎng)也保持一致，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

3.3 接觸設(shè)置

結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析時(shí)，木梁與木望板、鋼板之間接觸方式采用表面與表面接觸，各個(gè)接觸面設(shè)為綁定接觸，以保證力傳遞的有效性。

3.4 邊界條件與荷載

三種屋頂系統(tǒng)中，木梁均為主要受力載體，模擬時(shí)將木梁兩端設(shè)置為固接。受火過程中，在最上層望板表面的豎直方向施加均布荷載1.168 kN/m2，為模擬真實(shí)荷載。如圖10。

圖10 邊界條件設(shè)置示意圖

3.5 耐火極限判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火極限試驗(yàn)方法》[11]中的結(jié)論，試件本身的抗火程度應(yīng)該包含了承重能力以及構(gòu)件之間的空間完整性。規(guī)范條文中指明，受彎構(gòu)件在跨中最大變形彎曲速率達(dá)到L2/9 000 d(mm/min)時(shí)或者構(gòu)件跨中的撓度達(dá)到L2/400 d(mm)時(shí)，認(rèn)為該構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到最大承載力極限。本文將所述研究對(duì)象看作木板構(gòu)件及木梁構(gòu)件組成，根據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn)可以認(rèn)為當(dāng)木板跨中最大撓度達(dá)到38 mm 左右時(shí)，或最大位移變化的速率達(dá)到1.7 mm/min 時(shí)，構(gòu)件開始失去初始承載能力；而木梁在跨中最大撓度達(dá)到100 mm 時(shí)或跨中位移變化的速率達(dá)到4.4 mm/min 時(shí)，構(gòu)件失去了承載能力。

3.6 結(jié)構(gòu)場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖11 是木板跨中位移與時(shí)間結(jié)果曲線。研究得出，隨著受火時(shí)間變長(zhǎng)，跨中撓度逐漸變大。

圖11 木板跨中時(shí)間-位移曲線

t=1 310 s 時(shí)，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)望板跨中最大撓度達(dá)到38 mm，判定失去承載力；

t=1 495 s 時(shí)，冷攤瓦屋頂系統(tǒng)跨中最大撓度達(dá)到38 mm，判定失去承載力；

然后新型木-鋼結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)整個(gè)過程最大撓度及最大位移變化速率均未達(dá)到極限值，但由于木梁是整個(gè)系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件且已炭化完全，所以選定木梁作為破壞判定依據(jù)。在Abaqus 軟件中，重新選用一根木梁進(jìn)行熱應(yīng)力順序耦合。根據(jù)結(jié)果，t=2 268 s，木梁跨中最大撓度100 mm，新型木-鋼結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)到達(dá)極限承載力，即發(fā)生破壞，如圖12。

圖12 木梁跨中時(shí)間-位移曲線

結(jié)果表明：新型木-鋼結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)耐火極限相對(duì)于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)提高73%，相對(duì)于冷攤瓦系統(tǒng)提高52%。

4 結(jié)論

本文對(duì)新型木-鋼結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)、傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)望板系統(tǒng)、冷攤瓦屋頂系統(tǒng)三種屋頂?shù)哪突饦O限進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析以及結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析，在相同荷載條件作用下的耐火極限的結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析中得出，新型木-鋼望板由于有鍍鋅鋼板的存在，在望板與鍍鋅鋼板夾縫中燃燒產(chǎn)生化學(xué)變化的原因，也降低了上層望板的溫度上升速度。同時(shí)，結(jié)構(gòu)場(chǎng)中新型復(fù)合望板的耐火時(shí)間要長(zhǎng)于傳統(tǒng)望板，具有更好的耐火性能和支撐能力。在火災(zāi)中能夠長(zhǎng)時(shí)間保持原有結(jié)構(gòu)不塌陷，為居民逃生提供足夠的時(shí)間。此類望板系統(tǒng)為村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑和改造提供參考。