现代木结构建筑以轻型木结构及重型胶合木结构为主, 重型胶合木结构是以胶合梁、柱、桁架、拱或其他大跨构件组成的结构体系^[1]。胶合木柱作为重型胶合木结构中的竖向承重构件, 保证其抗火能力至关重要。White等^[2]根据西部铁杉、花旗松、红刺柏等针叶林胶合木柱的抗火试验结果, 给出了不同树种胶合木柱的炭化速度。Konig^[3]根据试验资料发现木材的弹性模量、强度随温度升高而显著降低, 提出了双折线模型。Ali等^[4]根据胶合木柱四面受火试验, 指出胶合木柱耐火极限随着木柱长细比和持荷比的增加而显著减小。许清风等^[5]对5组24根无阻燃涂料处理方木柱四面受火后力学性能进行了试验研究, 结果表明受火后木柱剩余承载力和初始刚度均明显降低, 部分截面较小受火后木柱发生偏压破坏;承载力下降原因主要包括:受火后木柱有效截面减小, 受火后的高温分解层木材强度明显劣化, 受火后木柱长细比增加导致其稳定系数降低, 部分木柱由于局部裂缝使炭化不均, 使破坏形态由轴压破坏转变为偏压破坏等。

　　 由于木结构建筑既满足绿色建筑发展要求, 又是装配式建筑三大体系之一, 近年来国家大政方针均强调“在具备条件的地方倡导发展木结构建筑”。已颁布实施的国家标准《多高层木结构建筑技术标准》 (GB/T 51226—2017) ^[6]已将不需进行防火设计论证的木结构层数放宽到5层, 对于6层及以上的木结构建筑防火设计经论证确定后也可实施。木结构建筑在我国又迎来了发展机遇期。

　　 随着现代木结构工程的增多, 已有将阻燃涂料用于木结构的工程实践, 但关于阻燃涂料处理胶合木柱火灾后性能的研究还很匮乏。本文选用我国常用的木结构树种樟子松, 进行阻燃涂料处理胶合木柱四面受火后力学性能的对比试验研究, 了解受火后胶合木柱的力学性能, 为现代木结构的防火设计和推广应用提供科学依据。

　　 本次进行了4组共14根樟子松胶合木短柱四面受火后力学性能的试验研究。试件规格分两种:200×200×600和300×300×600。截面尺寸为200×200组试件在截面高度方向上由5层等厚木板胶合而成, 截面尺寸为300×300组试件由8层等厚木板胶合而成。用于制作胶合木梁的胶黏剂为某公司生产的AQUENCE SL 3184型水基胶黏剂, 主要成分为水基聚醋酸乙烯酯。试件表面处理分两种:未处理和阻燃涂料处理。受火时间分别为0 (对比试件) , 20, 40, 60min, 升温曲线采用ISO 834标准升温曲线。试件统一编号为XCIt, 其中X为试件规格, 共有200×200×600和300×300×600两种;C代表胶合木柱;I代表阻燃涂料, 若表面无阻燃涂料则无此项;t为受火时间, 对比试件该项为0。如200CI 20代表规格为200×200×600、表面有阻燃涂料处理、受火时间为20min的胶合木短柱。

　　 本次试验木材选用樟子松, 实测物理力学指标包括:含水率14.4%, 密度469kg/m³, 顺纹抗压强度35.6MPa, 顺纹抗拉强度73.6MPa, 顺纹抗压弹性模量9 312MPa。

　　 阻燃涂料选用市场上常见的一种非膨胀型木材保护水性涂料, 组成成分包括硼酸盐、聚磷酸铵等难燃物, 产品合格证表明该阻燃涂料的防火 (材料燃烧) 性能达到国家标准《建筑材料及制品燃烧性能分级》 (GB 8624—2012) ^[7]的B1级。该涂料无色无味, 不改变木材外观, 施工时仅需表面涂刷一遍即可。试件制作时按照厂家现场指导进行表面涂刷, 涂刷前将涂料电动搅拌15min, 然后均匀涂刷于试件表面, 涂刷量约300g/m²。

　　 本次受火试验和火灾后静载试验均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。受火试验在大型垂直试验炉中进行, 木柱两端各100mm长度范围用耐火棉包裹, 其余部分四面受火, 受火过程中未施加外荷载。炉温按ISO 834标准升温曲线升温到指定受火时间后, 立即切断燃气并打开炉门, 进行浇水冷却。

　　 静载试验在试验机上进行。试验过程中通过在木柱四侧中心位置布置应变片以了解加载过程中木柱的变形情况, 应变片粘贴前先去除木柱表面的炭化层和高温分解层;在试验机底部布置位移计以了解加载过程中木柱的竖向位移。试验采用连续均匀加载方式, 加载速度为1.0mm/min, 当荷载下降至极限荷载的80%, 试验终止。应变采用DH3817动态应变测量系统进行采集。

　　 对比试件200C0加载至625k N时, 发出木材纤维崩开的声响;随着荷载增加, 木柱最外层胶合层沿胶合面出现竖向裂缝, 之后观察到四面出现细小的环向裂缝;破坏时木柱下部边缘出现部分木纤维折断, 在1/2柱高处木纤维错位。试件200C20在加载过程中, 最外侧胶合层最先出现竖向裂缝, 破坏时外层木材从柱顶向下劈裂;距柱顶部1/4柱高度处木材微向外鼓出。试件200C40破坏时距柱顶部1/4高度处明显向一侧弯折。试件200C60破坏时, 1/2柱高边缘处的木材向外鼓出撕裂。200C试件组破坏形态见图1。

　　 试件200CI20在加载过程中角部先出现一条竖向裂缝, 随着荷载增加不断发出声响, 破坏时产生多条从顶部到中部的竖向裂缝, 并明显向一侧鼓屈。试件200CI40中部先出现水平裂缝, 破坏时中部向一侧弯曲。试件200CI60破坏时宽度中央出现一条沿胶合面的竖向裂缝, 周围还有多条较小的竖向短裂缝。200CI试件组破坏形态见图2。

　　 对比试件300C0在加载过程中四面先出现多条细小的竖向裂缝;随着荷载增加, 距离顶部100mm处开始向外鼓屈, 出现环向裂缝;破坏时环向裂缝和竖向裂缝宽度均较大, 同时底部边缘出现部分木材压溃。试件300C20加载过程中在中部和顶部边角出现竖向裂缝;随着荷载增加, 距柱顶约120mm处木纤维鼓出, 破坏时柱顶边缘木材劈裂。试件300C40, 300C60在破坏时, 均在1/4柱高处木纤维向四周鼓屈, 鼓屈处下部木纤维部分撕开。300C试件组破坏形态见图3。

　　 试件300CI20加载过程中在1/4柱高处木纤维向四周鼓屈出现微小环向裂缝, 破坏时环向裂缝下部产生较大的竖向裂缝, 角部木材撕裂。试件300CI40, 300CI60加载过程中在1/4柱高处向一侧逐渐弯曲鼓出, 破坏时鼓出一侧的木纤维断裂。300CI试件组破坏形态见图4。

　　 综上所述, 有无阻燃涂料处理胶合木柱四面受火后的破坏形态基本相似。破坏时在1/4柱高或1/2柱高处木材向四周或一侧鼓屈, 形成环向裂缝, 裂缝周围木材断裂, 同时伴有竖向裂缝;对于胶合面薄弱的试件, 竖向裂缝将首先沿胶合面开展。

　　 主要试验结果见表1。不同受火时间后试件剩余承载力比值见图5。各试件的荷载-位移曲线见图6。由图5, 6和表1可知:1) 随受火时间增加, 试件剩余承载力明显降低;四面受火20~60min后, 胶合木柱轴压承载力降低21%~73%。2) 相同受火时间下, 截面较大试件的下降程度明显小于截面较小试件;截面尺寸为200×200木柱在受火时间为20~60min时剩余承载力下降28%~73%, 而截面尺寸为300×300木柱的剩余承载力仅下降21%~51%。3) 除试件200CI20, 200CI60外, 其余表面有阻燃涂料处理胶合木柱的剩余承载力均略大于无阻燃涂料处理试件。

　　 通过各试件的荷载-位移曲线计算延性系数。名义屈服位移根据能量等效面积法计算, 极限位移是荷载下降至85%时对应的位移, 延性系数为极限位移与名义屈服位移的比值^[5]。延性系数计算结果见表1。由表1可知:1) 除试件300CI40, 300CI60外, 各组四面受火胶合木柱的延性系数均大于对比试件。2) 相同受火时间下, 表面有阻燃涂料处理试件的延性均小于无阻燃涂料处理试件。

　　 试验过程中由各试件四个侧面中心竖向应变的平均值, 得到的荷载-应变曲线见图7。由图7可知:1) 各试件压应变均随荷载增加而增加;2) 在相同荷载条件下, 受火后胶合木柱的竖向压应变大于未受火对比试件, 且随受火时间增加应变增大;3) 在相同荷载条件下, 有无阻燃涂料对相同受火时间后胶合木柱的竖向压应变影响不大。

　　 木柱有效炭化深度取每根木柱1/2柱高处截面的炭化深度, 炭化速度根据有效炭化深度与受火时间的比值计算, 木柱炭化速度汇总见表2。胶合木柱四面受火后截面见图8。

　　 由表2可知:1) 随着受火时间增加, 木柱炭化速度有所降低, 原因在于表面炭化层的存在减缓了内部木材的炭化^[8];2) 相同受火时间时, 表面有阻燃涂料四面受火木柱的炭化速度略小于表面无处理试件, 炭化速度降低0.01~0.06mm/min;3) 无阻燃涂料处理四面受火木柱的平均炭化速度为0.64mm/min, 非常接近欧规EN 1995-1-2∶2004^[9]中规定的胶合木炭化速度0.65mm/min。

　　 由图8可知, 有阻燃涂料处理和无阻燃涂料处理胶合木柱四面受火后, 截面均分为炭化区、高温分解区、正常区, 其中炭化区为深黑色, 高温分解区为深褐色, 正常区为木材正常颜色;木柱表面炭化后沿胶合方向和垂直胶合方向均出现类似鳄鱼皮纹理的纵横裂缝;角部受两个方向的热作用, 出现“拐角效应”。有阻燃涂料处理胶合木柱和无阻燃涂料处理胶合木柱的炭化规律均与普通方木柱一致^[5]。

　　 文献[10]针对我国木结构常用树种特点, 在大量明火试验和已有研究基础上, 提出了木构件截面有效炭化深度d_ef计算式, 如式 (1) 所示:

　　 式中:β为木材炭化速度, mm/min;t为受火时间, min;C为考虑拐角效应的常数, 木梁取12mm、木柱取7mm。

　　 本文通过采用实测炭化速度来考虑阻燃涂料对胶合木柱的影响, 炭化速度按式 (2) 取值:

　　 木柱四面受火后, 截面剩余宽度b=B-2d_ef, 剩余高度h=H-2d_ef;试验采用短柱, 不考虑轴心受压稳定系数, 受火时间为t时木柱剩余承载力P_t可按式 (3) 计算:

　　 式中:P_t为受火时间为t时的木柱剩余承载力, N;f_c为木材常温时的抗压强度, MPa。

　　 木材常温时抗压强度按对比试件抗压强度选取, 200C0的抗压强度34.2MPa, 300C0的抗压强度31.2MPa。

　　 联立式 (1) ~ (3) 即可求得胶合木柱四面受火后的剩余承载力。

　　 四面受火胶合木柱剩余承载力计算值与试验值对比见表3。由表3可知, 除试件200C60外, 其余试件剩余承载力计算结果与试验结果误差均在15%以内, 其中大多数误差在5%以内。所有试件计算值与试验值的算术平均值与绝对平均值误差分别为-1.7%和7.4%, 符合工程精度要求。

　　 (1) 对比试件和四面受火后胶合木柱的破坏形态基本相似。破坏时在1/4柱高或1/2柱高处木材向四周或一侧鼓屈, 周围木材断裂, 对于胶合面薄弱的试件, 则先在竖向胶合面处出现裂缝。

　　 (2) 四面受火胶合木柱剩余承载力随受火时间增加而明显降低, 降低幅度达21%~73%, 且下降程度随截面尺寸增加而减小。

　　 (3) 相同受火时间时, 表面有阻燃涂料处理四面受火木柱的炭化速度略小于表面无处理试件, 炭化速度降低0.01~0.06mm/min;木柱角部受两个方向的热作用, 出现“拐角效应”;木柱炭化速度随受火时间增加而有所降低。

　　 (4) 利用基于有效炭化深度的剩余截面法, 能较为准确地计算四面受火后胶合木柱的剩余承载力, 为胶合木结构的防火设计和火灾后评估提供依据。