对于现代办公用木结构建筑, 常采用胶合木梁柱体系。在欧洲和北美, 多层木结构建筑的建造技术和火灾安全设计较为成熟, 6~9层的多层木结构建筑已有不少的应用实例^[1]。由于我国对木结构的研究还不够完善, 国家标准《建筑设计防火规范》 (GB 50016—2014) ^[2]将纯木结构严格限制在3层及以下;但近年来随着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”, 国家标准《多高层木结构建筑技术标准》 (GB/T 51226—2017) ^[3]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应经论证确定。

　　 Firmanti等^[4]进行了三面受火木梁耐火极限的试验研究, 研究表明, 三面受火木梁耐火极限与持荷比大致满足指数关系。Ali等^[5]总结了影响胶合木柱耐火极限的影响因素主要包括:木材炭化速度、持荷比、含水率、受热条件、约束条件等。许清风等^[6]进行了三面受火原木梁耐火极限的试验, 研究表明, 三面受火木梁的耐火极限随持荷比增加而降低, 表面采用膨胀型阻燃涂料能提高木梁耐火极限11min。

　　 本文进行了不同阻燃涂料表面处理胶合木梁三面受火时的耐火极限试验, 研究了截面尺寸、持荷比、阻燃涂料、胶合木梁指接等因素对胶合木梁耐火极限的影响, 为确定胶合木梁的耐火极限提供科学依据。

　　 本次进行了4组共18根三面受火胶合木梁耐火极限的试验研究。树种包括樟子松 (Pinus sylvestris) 和花旗松 (Douglas fir) 。樟子松胶合木梁按截面分两组, 规格分别为100×200×4 000, 150×300×4 000, 每种规格试件表面处理包括无处理和I型阻燃涂料处理, 持荷水平为未受灾对比试件极限荷载的30%和50% (持荷比表示受火试件施加荷载与对比试件实测极限荷载的比值) 。花旗松胶合木梁按梁长方向是否存在指接分成两组, 规格均为150×300×4 000, 表面处理包括无处理和Ⅱ型阻燃涂料处理, 持荷比为30%和50%。截面尺寸为100×200的试件在截面高度方向由5层等厚木板胶合而成, 截面尺寸为150×300的试件由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。

　　 试件编号中P代表樟子松, D代表花旗松;Z代表指接, 无指接试件空缺;表面处理方式分为空缺 (无处理) 、Ⅰ (Ⅰ型阻燃涂料处理) 、Ⅱ (Ⅱ型阻燃涂料处理) ;l代表持荷比, 其中持荷比为0的试件代表未受火的对比试件。如DZ150Ⅱ-30代表持荷比30%的有指接花旗松胶合木梁涂抹Ⅱ型阻燃涂料试件。所有试件统计如表1所示。

　　 试验用樟子松实测物理力学性能包括: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, 抗弯弹性模量11 925MPa。试验用花旗松实测物理力学性能包括:含水率14.0%, 密度446kg/m³, 顺纹抗压强度33.7MPa, 顺纹抗拉强度103.9MPa, 顺纹抗压弹性模量10 702MPa, 抗弯弹性模量15 153MPa。

　　 Ⅰ型阻燃涂料为市场上常见的非膨胀型木材保护水性涂料, 组分包括硼酸盐、聚磷酸铵等难燃物, 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, 不改变木材自然外观。根据产品说明书, 涂刷前将Ⅰ型阻燃涂料电动搅拌15min后, 均匀涂刷于胶合木梁表面, 涂刷量约300g/m²。Ⅱ型阻燃涂料为非膨胀型无卤阻燃剂, 无色无味, 试验前一周试件运至涂料生产厂家采用常温常压浸渍, 浸渍量约80kg/m³。

　　 在未受火对比试件跨中截面布置应变片以了解加载过程中跨中截面的变形情况。在受火试件截面不同位置布置热电偶以了解受火过程中试件内部不同位置温度变化情况。所有试件在跨中及支座两端布置位移计以了解整体变形情况。应变片布置如图1所示, 热电偶布置如图2所示。

　　 试验在大型水平试验炉中进行, 炉温按ISO 834标准升温曲线进行升温。木梁顶面全长及梁两端支座各20cm长度范围用耐火棉包裹, 木梁试件全长三面受火, 端部搁置在水平试验炉炉壁上, 木梁两支座间距3.6m。木梁采用三分点加载, 千斤顶通过分配梁将荷载施加于两个加载点上, 加载装置见图3。

　　 未受火对比试件P100-0在破坏之前无明显的声响, 加载至41k N时, 伴随巨大声响试件破坏。破坏时从一侧加载点底部向跨中中部断裂。

　　 试件P100-30受火后, 木梁跨中挠度逐渐增加, 受火24min时木梁跨中挠度骤增17mm, 同时梁顶部有轻微火焰冒出, 结束试验。取出试件后, 可以看出木梁跨中存在明显的挠度。试件P100-50受火17min时, 试验炉内发出一声巨大声响, 同时跨中挠度骤增11mm, 油压骤降无法继续持荷, 试件破坏。取出试件后, 发现木梁在靠近跨中处截面中部撕裂 (图4 (a) ) 。试件P100I-30受火28min时, 试验炉内发出一声巨大声响, 跨中挠度骤增13mm, 油压骤降无法继续持荷, 试件破坏。取出试件后, 发现木梁从一侧加载点的底部斜向上撕裂 (图4 (b) ) 。试件P100I-50受火23min时跨中挠度骤增30mm, 同时梁顶部有轻微火焰冒出, 结束试验。取出试件发现跨中存在明显的挠度。

　　 未受火对比试件P150-0加载至125k N时发出轻微声响, 加载至180k N时, 伴随巨大声响跨中挠度迅速增大, 试件从一侧加载点底部边缘向跨中中部撕裂破坏。

　　 试件P150-30受火8min后跨中挠度逐渐增加, 并且增加速度逐渐增快;受火36min时, 试验炉内突然发出巨响, 千斤顶无法继续承担预加荷载, 停止试验, 取出试件发现跨中胶合层之间出现沿胶合面的水平裂缝, 受火过程中的巨大声响可能是由于胶合层脱开所致。试件P150-50受火18min时, 试验炉内发出巨大声响, 同时跨中挠度骤增30mm, 千斤顶无法持荷, 试验停止, 取出试件发现木梁从一侧加载点底部边缘向跨中中部撕裂 (图4 (c) ) 。试件PZ150I-30受火11min时, 试验炉内发出一声巨大声响, 同时跨中挠度骤增13mm, 无法持荷, 试验停止, 取出试件发现木梁在底部跨中指接处断裂 (图4 (d) ) 。试件P150I-50受火22min时, 试验炉内发出巨大声响, 同时跨中挠度骤增13mm, 无法持荷, 试验停止, 取出试件后发现接近端部位置木材劈裂破坏。

　　 未受火对比试件D150-0加载至125k N时发出声响, 跨中底部出现一条小裂缝;加载至135k N时, 伴随巨响跨中挠度迅速增大, 试件破坏, 破坏时木梁跨中底部斜向上撕裂。

　　 试件D150-30在受火46min时, 试验炉内突然发出巨响, 油压下降无法继续持荷, 试件破坏。试件D150-50受火26min时, 试验炉内发出巨响, 同时跨中挠度骤增36mm, 无法继续持荷, 试件破坏, 取出试件发现木梁跨中底部断裂。试件D150Ⅱ-30受火59min时, 试验炉内发出巨大声响, 同时跨中挠度骤增38mm, 千斤顶无法继续持荷, 试件破坏, 取出试件后, 发现木梁挠度明显, 跨中出现较大水平裂缝。试件D150Ⅱ-50受火30min时, 试验炉内发出巨响, 同时跨中挠度骤增23mm, 千斤顶无法继续持荷, 试件破坏, 取出试件后, 发现木梁从一侧加载点处试件底部向跨中撕裂 (图4 (e) ) 。

　　 DZ150试件组在高度方向由8层木材胶合而成, 每层木材在长度方向均有指接, 每层指接相互错开, 位置随机。

　　 未受火对比试件DZ150-0加载至123k N时, 发出巨响, 试件破坏。破坏时木梁在跨中底部附近的指接处断裂, 且指接处裂缝延伸至两侧产生斜向裂缝。

　　 试件DZ150-30受火42min时木梁跨中挠度骤增20mm, 无法继续持荷, 试件破坏, 由于试验结束时未能及时取出试件, 未能观测到破坏后形态。试件DZ150Ⅱ-30受火45min时, 试验炉内发出较大声响, 同时跨中挠度骤增15mm, 无法继续持荷试件破坏, 取出试件后, 发现木梁在跨中底部附近的指接处断裂 (图4 (f) ) 。

　　 综上所述, 未受火对比试件均发生源于受拉区的受弯破坏。三面受火试件持荷受火后, 跨中挠度逐渐增加并随受火时间延长, 跨中挠度增加速度加快, 破坏时在纯弯段底部断裂或在底部指接处断裂, 达到耐火极限。

　　 各未受火对比试件荷载-跨中挠度曲线如图5所示。从图5可知:1) 各对比试件从加载到破坏前, 荷载-跨中挠度曲线几乎为线性, 破坏时位移迅速增大, 表明胶合木梁延性性能较差, 基本发生脆性破坏。2) 截面尺寸为150×300木梁的弯曲刚度明显大于截面尺寸为100×200木梁;3) DZ150试件组由于在纯弯段受拉区存在指接, 其极限荷载略小于无指接试件。

　　 典型未受火对比试件跨中截面应变沿高度的变化见图6。从图6可知, 未受火对比试件跨中截面应变沿高度的变化接近线性, 基本符合平截面假定。

　　 根据国家标准《建筑构件耐火试验方法第1部分:通用要求》 (GB/T 9978.1—2008) ^[8]的规定, 木梁耐火极限为其在受火期间能够保持承载能力的时间, 判断受火木梁承载能力的参数是变形量和变形速率, 当跨中挠度达到L²/400d或跨中挠度变化率大于L²/9 000d时即认为木梁丧失承载力 (其中L为构件跨度、d为截面高度) 。本次试验截面尺寸为100×200的木梁跨中挠度达到162mm或跨中挠度变化率达到7.2mm/min;截面尺寸为150×300的木梁跨中挠度达到108mm或跨中挠度变化率达到4.8mm/min, 即认为达到耐火极限。

　　 各试件时间-跨中挠度对比曲线见图7, 时间-跨中挠度变化率对比曲线见图8。根据图7, 8可得各试件耐火极限, 见表2。由图7, 8和表2可知:1) 随着持荷比增加, 三面受火胶合木梁耐火极限明显降低, 当持荷比由30%增加到50%时, 耐火极限降低5~29min;2) 随着截面尺寸增加, 三面受火胶合木梁耐火极限略有提高, 当截面尺寸由100×200增加到150×300时, 耐火极限增加1~12min;3) 胶合木梁表面采用I型阻燃涂料涂抹后耐火极限提高4~6min, 采用Ⅱ型阻燃涂料常温常压浸渍后耐火极限提高4~13min, 与文献[6]采用膨胀型阻燃涂料处理的原木梁耐火极限提高幅度相符 (提高11min) ;4) 三面受火木梁纯弯段受拉区存在指接时, 耐火极限明显降低, 降低4~25min, 与文献[9]结论相符。

　　 典型试件P150-30内部不同位置温度变化如图9所示, 不同试件距离截面边缘相同位置 (T2处) 温度变化如图10所示。由图9, 10可知:1) 随着受火时间增加, 木梁不同深度位置的温度均有不同程度的升高, 越靠近截面边缘的部位升温越快, 截面中心处的升温缓慢;停火后, 由于木材本身燃烧, 温度仍有所上升。2) 不同试件距截面边缘25mm埋深处各测点温度变化趋势相似, 随受火时间增加, 温升速度加快, 由于木材自由水分蒸发在100℃左右时有一个温度平台, 这与文献[6, 10]结论一致。3) 持荷比对试件内部温度场无明显影响。4) 相同火场温度下有阻燃涂料处理的试件内部温度与无阻燃涂料处理的试件内部温度无明显差别, 阻燃涂料对木梁内部相同位置的温度变化影响不大。

　　 木梁达到耐火极限后切断燃气, 并拔风使其熄灭, 待炉温降至200℃以下时, 打开炉盖取出试件并浇水冷却。

　　 本文取木梁两个三分点处截面进行炭化深度测量, 炭化速度根据White^[11]提出的模型t=md_c (其中t为受火时间, min;m为炭化速度的倒数, min/mm;d_c为炭化深度, mm) 计算, 木梁炭化速度汇总见表3。由表3可知, 多数木梁竖向炭化速度大于水平炭化速度;有阻燃涂料处理的木梁炭化速度略小于没有阻燃涂料处理的木梁炭化速度, 无阻燃涂料处理的木梁炭化速度为0.72~0.90mm/min, 采用阻燃涂料处理的木梁炭化速度为0.60~0.89 mm/min。由于木材本身可燃烧, 加之封炉及后续明火试验过程中可能的间隙, 导致木梁实际燃烧时间超过耐火极限, 因而使实测的炭化速度略高于实际炭化速度。

　　 课题组前期通过对我国常用树种耐火性能的研究, 提出了有效炭化深度d_ef按式 (1) 计算^[12]:

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

　　 热电偶测试数据表明, 相同火场温度下有阻燃涂料处理的试件内部温度与无阻燃涂料处理的试件内部温度无明显差别。文献[13]也指出, 非膨胀型阻燃涂料的作用主要体现在阻燃、减缓木材燃烧上, 其对热量传递的效果不明显。因而本文通过采用实测炭化速度来考虑阻燃涂料的影响, 炭化速度按式 (2) 取值:

　　 木梁三面受火后, 有以下关系:

　　 式中:b为剩余有效截面宽度, mm;h为剩余有效截面高度, mm;P为外加荷载, N;f_m为木梁常温时的抗弯强度, MPa;L为木梁支座间间距, mm。

　　 木梁常温时抗弯强度取未受火对比试件的抗弯强度, 樟子松取42.5MPa, 花旗松取38.2MPa。

　　 联立式 (1) ~ (5) 可求得三面受火胶合木梁的耐火极限。

　　 三面受火胶合木梁耐火极限计算结果与试验结果对比见表4和图11。由表4和图11可知, 不考虑纯弯区段存在指接的试件PZ150I-30, DZ150-30, DZ150Ⅱ-30, 其余所有试件耐火极限按文献[12]和欧洲标准^[14]计算的计算值与试验值的平均误差分别为-6.2%和16.6%;如按绝对值考虑, 则平均误差分别为15.0%和20.9%。计算值与试验值存在一定差异的原因主要是因为木材是生物质材料, 其物理性能、力学性能和初始缺陷均具有一定的离散性, 其均对三面受火胶合木梁的炭化速度及耐火极限有一定的影响。

　　 (1) 未受火对比试件均发生源于受拉区的受弯破坏, 跨中截面沿高度方向的应变变化符合平截面假定。胶合木梁持荷受火后, 跨中挠度逐渐增加, 并随受火时间延长, 跨中挠度增加速度加快, 直至跨中挠度骤增无法继续持荷或直接断裂破坏, 试件达到耐火极限。

　　 (2) 随着持荷比增加, 三面受火胶合木梁耐火极限降低, 当持荷比由30%增加到50%时, 耐火极限降低5~29min;随着截面尺寸增加, 耐火极限略有增加, 当截面尺寸由100×200增加到150×30m时, 耐火极限增加1~12min;胶合木梁表面采用I型阻燃涂料涂抹后耐火极限提高4~6min, 采用Ⅱ型阻燃涂料常温常压浸渍后耐火极限提高4~13min;纯弯段受拉区存在指接时, 耐火极限降低4~25min。

　　 (3) 多数试件竖向炭化速度大于水平炭化速度, 有阻燃涂料处理的木梁炭化速度略小于没有阻燃涂料处理的木梁炭化速度。

　　 (4) 有阻燃涂料处理的木梁和没有阻燃涂料处理的木梁距截面边缘相同距离处温度变化趋势相似;且持荷比对试件内部温度场无明显影响。

　　 (5) 本文提出的基于实测炭化速度的耐火极限改进计算方法, 能较为准确地计算三面受火胶合木梁的耐火极限。