工程竹柱四面受火后力学性能的试验研究
陈玲珠 冷予冰 许清风 陈溪. 工程竹柱四面受火后力学性能的试验研究[J]. 建筑结构，2018，48（10）：98-102.
Chen Lingzhu Leng Yubing Xu Qingfeng Chen Xi. Experimental study on mechanical behavior of engineered bamboo columns after being exposed to four-side fire[J]. Building Structure，2018,48（10）：98-102.
0 引言
竹材是一种可再生、可降解的天然生物质材料, 具有生长速度快、产量高等特点。我国的竹材资源十分丰富。近年来, 通过将圆竹切削、蒸煮、炭化、干燥、胶合、重组等工艺, 制成尺寸规格、性能稳定的工程竹材;与圆竹相比, 工程竹材的物理、力学和耐久性能均明显改善, 能满足建筑结构的应用需求。目前, 用于建筑结构的工程竹产品主要有:胶合竹 (laminated bamboo) 和重组竹 (bamboo scrimber) , 其中胶合竹也常被称为竹集成材或侧压集成材, 而重组竹也常被称为重竹。Sharma等[1]对胶合竹和重组竹的受压性能进行了研究, Verma等[2]、李海涛等[3]和苏靖文等[4]对胶合竹的受压性能进行了研究, 张秀华等[5]、鲁良辉等[6]、张苏俊等[7]和李海涛等[8]对重组竹的受压性能进行了研究。研究结果均表明, 胶合竹和重组竹适宜用作结构材料。
然而, 竹材是可燃材料, 其防火性能很大程度上影响了其推广应用。Xu等[9]通过锥形量热仪试验研究了胶合竹和重组竹的炭化性能和燃烧性能, 研究表明, 胶合竹的炭化性能与工程常用软木较接近, 而重组竹的炭化性能与工程常用硬木接近。Zhong等[10]和Xu等[11]对高温下和高温后重组竹的抗压强度和弹性模量等材料性能进行了研究。然而, 目前对工程竹构件火灾后力学性能的研究未见报道。
为了解受火后工程竹柱力学性能的退化规律, 分别对胶合竹柱和重组竹柱四面受火后力学性能进行试验研究, 为工程竹结构防火设计提供依据。
1 试验概况
1.1 试件设计与制作
试件共2组, 分别为5根胶合竹柱和5根重组竹柱。试验参数包括截面尺寸和受火时间。胶合竹柱截面尺寸为100×100和200×225;重组竹柱截面尺寸为100×100和140×140。受火时间包括:0 (未受火对比试件) 、10min和20min。试件统一编号为XCS-Y-Z, X代表材料类型, 分为LG (胶合竹) 、SG (重组竹) ;CS代表短柱试件;Y代表试件截面尺寸;Z代表受火时间, 对比试件空缺。如试件LGCS-2-20表示截面尺寸为200mm×225mm、受火时间为20min的胶合竹短柱试件。试件参数汇总见表1。
表1 试件参数
1.2 试验材料
试验中胶合竹物理力学性能实测结果为:顺纹抗拉强度为122.9MPa, 顺纹抗压强度为47.8MPa, 抗弯强度为140.4MPa, 弹性模量为12 017MPa, 密度为663kg/m3, 含水率为10.8%。重组竹物理力学性能实测结果为:顺纹抗拉强度为126.4MPa, 顺纹抗压强度为61.8MPa, 抗弯强度为138.3MPa, 弹性模量为15 729MPa, 密度为984kg/m3, 含水率为9.2%。
1.3 试验过程
试验包括受火试验和受火后静载试验。受火试验在东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室大型水平试验炉中进行, 升温曲线采用ISO 834标准[12]升温曲线。工程竹柱四面受火, 柱端用防火棉各包裹100mm, 受火过程中对试件不施加外荷载。达到设定受火时间后, 切断天然气并拔风降温, 等温度降低后取出试件, 浇水冷却。
受火后静载试验在上海市建筑科学研究院上海市工程结构安全重点实验室进行。静载试验过程中, 通过在工程竹柱一半高度处截面的四侧中心位置分别布置1个竖向应变片来测量截面的应变分布, 在竹柱顶部布置两个位移计测量加载过程中的竖向位移变化。应变片粘贴前先除去炭化层和高温分解层。
1.4 加载装置和加载制度
采用MTS试验机进行加载。正式加载前进行预加载消除系统误差。试验采用连续均匀加载方式, 加载速度为1mm/min, 当荷载下降至极限荷载的85%时, 试验结束。采用DH3817动态采集系统进行数据采集。
2 试验结果与分析
2.1 受火试验现象
受火试验开始后, 试验炉各供气口同时点火, 点火3~5min后, 炉中有一些烟气渗出;随受火时间增加, 烟雾逐渐减少。受火10min和20min后试件见图1所示。
图1 试件受火后照片
2.2 静载试验现象
2.2.1 胶合竹
未受火对比试件LGCS-1加载至624.0k N时破坏, 试件呈偏压破坏特征, 破坏时试件分层撕裂, 见图2 (a) 。试件LGCS-1-10加载至392.5k N时破坏, 破坏时最外层整层撕裂剥离, 且中间开裂, 见图2 (b) 。试件LGCS-1-20加载至105.6k N时破坏, 破坏时中部向外鼓出、外侧剥离, 见图2 (c) 。未受火对比试件LGCS-2加载至2 042.5k N时破坏, 破坏时胶合竹最外两层分层, 撕裂剥离, 见图2 (d) 。试件LGCS-2-20加载至1 192k N时破坏, 破坏时最外层整层撕裂剥离、中间断裂, 见图2 (e) 。
图2 胶合竹柱试件破坏照片
图3 重组竹试验破坏照片
2.2.2 重组竹
未受火对比试件SGCS-1加载至798.7k N时破坏, 破坏时外侧剥裂, 见图3 (a) 。试件SGCS-1-10加载至567.2k N时破坏, 破坏时中部向外鼓出、外侧剥开, 见图3 (b) 。试件SGCS-1-20加载至307.3k N时破坏, 破坏时中部向外鼓出, 见图3 (c) 。未受火对比试件SGCS-2加载至1 401.9k N时破坏, 破坏时底部向外鼓出、外侧剥裂, 见图3 (d) 。试件SGCS-2-20加载至649.8k N时破坏, 破坏时中部向外鼓出, 明显向一侧倾斜, 见图3 (e) 。
2.3 主要试验结果
2.3.1 荷载-位移曲线
各组试件的荷载-位移曲线见图4, 5, 其中位移取两侧位移计读数的平均值。
2.3.2 受火后工程竹柱剩余承载力分析
不同受火时间后工程竹柱抗压承载力对比见图6, 反映了抗压承载力随受火时间的下降趋势, 极限承载力下降比例见图7。
由表2和图4~7可知:1) 除100×100×450组重组竹柱外, 各组对比试件的初始刚度明显大于不同受火时间后试件;2) 受火后试件剩余承载力下降幅度随受火时间增加而增大, 受火10~20min后工程竹柱剩余承载力降低幅度达29.0%~83.1%;3) 相同受火时间后截面较大工程竹柱的剩余承载力下降程度明显小于截面较小的工程竹柱。
图4 胶合竹柱荷载-位移曲线
图5 重组竹柱荷载-位移曲线
表2 主要试验结果
注:Pu为剩余承载力, μΔ为延性系数。
2.3.3 初始刚度
取0.4Pu时的割线刚度为初始刚度, 计算结果见表2。由表2可知, 各组对比试件的初始刚度均明显大于不同受火时间后试件, 且受火时间越长的试件初始刚度越小。这主要是因为受火时间越长, 试件截面损失程度越大, 剩余截面提供的刚度越小。
2.3.4 延性系数
根据实测荷载-位移曲线, 用能量等效面积法计算试件的名义屈服位移Δy, 用荷载下降至0.85Pu的极限位移Δu来计算各试件的延性系数μΔ, 计算结果见表2。由表2可知, 除重组竹140×140×450组外四面受火后工程竹柱延性系数均明显降低, 这与木柱四面受火后延性系数的变化规律一致[12]。这可能与受火后工程竹柱含水率降低和竹材性能退化有关。
图6 不同受火时间工程竹柱剩余承载力对比
图7 不同受火时间工程竹柱剩余承载力下降幅度对比
图8 胶合竹柱荷载-应变曲线
2.3.5 应变分析
试验过程中对各组试件4个侧面中心竖向应变进行了量测。各试件竖向应变取4个应变片读数的平均值。各组试件的荷载-应变曲线见图8和图9。
由图8和图9可知, 各试件侧面中心竖向应变差异较大, 但变化趋势相近。相同荷载条件下, 受火后工程竹柱的应变大于未受火对比试件, 且应变随受火时间的增加而增加。
3 炭化速度分析
竹材与木材的化学组成相似, 主要由纤维素、半纤维素和木质素等有机物组成, 且在微观结构组成方面, 两者均为各向异性、多孔且具有纤维结构的高分子材料。因此, 竹材的燃烧性能与木材相似。
取燃烧后的工程竹柱试件, 把工程竹柱表面的炭化层去除, 在柱一半高度位置测量受火后剩余截面尺寸, 进而计算其炭化速度。截取的薄块照片如图10所示。试件LGCS-2-20由于破坏严重, 未取出薄块。
从图10可知, 四面受火后工程竹柱截面面积明显减小, 角部由于受两个方向的燃烧呈明显的弧形。为简化计算, 可将剩余有效截面根据承压面积等效的原则等效为矩形, 得到等效炭化速度。非角部区域平均炭化速度和等效炭化速度如表3所示。
图9 重组竹柱荷载-应变曲线
图10受火后炭化试样
表3炭化速度汇总
注:b为截面宽度;d为截面高度;Vb为水平方向炭化速度;Vd为竖直方向炭化速度。
由表3可知:1) 经综合考虑, 角部弧形效应的等效炭化速度比非角部影响区的平均炭化速度大;2) 受火20 min的试件LGCS-1-20, SGCS-1-20, SGCS-2-20的炭化速度均较同组仅受火10 min的试件大, 这主要是因为停火后试件没有及时熄灭, 导致其实际燃烧时间有所延长所致;3) 胶合竹柱的炭化速度较重组竹柱的炭化速度明显增加, 这主要是因为重组竹的密度较大, 且胶合竹受火后存在片层的剥离现象。
4 结论
(1) 未受火工程竹柱和四面受火后工程竹柱的破坏形态相似, 胶合竹柱分层撕裂, 重组竹柱开裂。
(2) 未受火工程竹柱和四面受火后工程竹柱侧面中心竖向应变均随荷载增加而增大, 且相同荷载下应变随受火时间的增加而增大。各组对比试件的初始刚度均明显大于不同受火时间后试件。
(3) 不同受火时间后工程竹柱的剩余承载力明显降低, 受火10~20min后降低幅度达29.0%~83.1%。四面受火后工程竹柱剩余承载力下降程度随受火时间增加而增加, 随截面尺寸增加而减小。
(4) 四面受火工程竹柱角部由于遭受双向热传递而变为弧形, 胶合竹柱的炭化速度比重组竹柱的炭化速度略高。
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