我国是世界最主要的竹产国, 竹材资源丰富。竹材具有抗拉强度高、材质均匀、高强重比、稳定性好、耐磨等优点, 在我国建筑领域有悠久的使用历史。原竹结构由于其连接节点复杂、材料各向异性且尺寸受限等因素, 其应用受到限制, 而胶合竹可以很好地克服这些问题。胶合竹 (laminated bamboo) 是将竹材加工成定宽、定厚的竹片, 干燥至含水率为8%~12%, 再通过胶粘剂将竹片同方向胶合成任意长度、任意截面^[1]。陈溪等^[1]总结了竹材在土木工程领域的应用。Sharma等^[2,3]介绍了胶合竹的生产过程, 并对其材性进行了测试。李海涛等^[4]研究了胶合竹短柱抗压性能和胶合竹梁抗弯性能, 研究表明, 胶合竹适宜用作结构材料。Sinha等^[5]对比了胶合竹梁和花旗松胶合木梁的抗弯性能, 发现胶合竹的抗弯性能更优。Mena等^[6]对比了瓜多竹与胶合板的炭化性能, 发现瓜多竹的炭化速度低于胶合板。Xu等^[7]通过锥形量热仪试验研究了胶合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。综上所述, 已有研究主要集中于胶合竹材物理力学性能、胶合竹材炭化性能、胶合竹构件受力性能, 但胶合竹构件火灾性能的研究较少。

　　 工信部和住建部联合发布的《促进绿色建材生产和应用行动方案》 (工信部联原[2015]309号) 明确鼓励在竹资源丰富地区发展竹制建材和竹结构建筑。本文进行了胶合竹梁耐火极限的试验研究, 分析不同截面、不同持荷比对胶合竹梁耐火极限的影响规律, 为建立胶合竹结构防火设计方法和制订相关标准提供科学依据。

　　 本次试验选用由毛竹生产的胶合竹, 试验参数包括荷载比和试件截面尺寸。试件基本信息汇总见表1。

　　 由于缺少胶合竹材性检测标准, 本文参考木材材性检测标准的相关规定测试了胶合竹材的气干密度, 含水率, 顺纹抗压、抗拉、抗弯强度及抗弯弹性模量。

　　 本次试验用胶合竹材的实测气干密度为663kg/m³, 含水率为10.8%;胶合竹材顺纹抗压强度为47.8MPa, 顺纹抗拉强度为122.9MPa, 顺纹抗弯强度为140.4MPa, 抗弯弹性模量为12 017MPa。

　　 本次受火试验在大型水平试验炉中进行。将胶合竹梁搁置在水平炉炉壁上, 两端简支, 试件全长三面受火, 通过反力架和千斤顶采用三分点施加荷载, 搁置点间距为2.4 m, 试验布置如图1所示。

　　 耐火极限试验试件分别布置热电偶和位移计来监测升温过程中试件内部的温度场分布和试件跨中的位移变化, 未受火对比试件在跨中沿截面高度布置应变片来测试试件跨中截面应变随荷载增加的变化关系, 热电偶、位移计和应变片布置如图2所示。

　　 采用50t千斤顶进行分级加载, 每级10k N。为确保试验加载和采集设备正常运行, 在正式加载前进行预加载, 预加载值取30k N。对于未受火对比试件LGB-1, 分级加载到试件破坏。对于耐火极限试验试件LGB-2~LGB-5, 加载至设定持荷水平后, 恒定荷载10min, 然后按照ISO 834标准升温曲线升温, 升温过程中随时调节千斤顶油泵保证竖向荷载恒定。

　　 当梁跨中挠度达到L²/ (400d) (L为梁的净跨度, mm;d为梁截面高度, mm) (即试件LGB-2~LGB-4达到64mm、试件LGB-5达到32mm) 、或梁跨中挠度变化率大于L²/ (9 000d) (即试件LGB-2~LGB-4大于2.8mm/min、试件LGB-5大于1.4mm/min) 、或试件破坏、或梁表面有火焰冒出, 试件达到耐火极限。

　　 未受火对比试件LGB-1加载至120k N时发出轻微开裂声;随着荷载增大, 开裂声逐渐变大;加载至190k N时, 伴随较大声响, 胶合竹梁底部断裂 (图3) , 试件破坏, 破坏时跨中挠度为66.1mm。

　　 对比试件LGB-1荷载-位移曲线如图4所示。从图4可见, 对比试件LGB-1经历了弹性阶段、弹塑性阶段后, 突然发生脆性断裂破坏。当荷载小于120k N时, 位移基本呈线性变化;当荷载大于120k N时, 位移呈非线性变化。

　　 对比试件LGB-1荷载-应变曲线如图5所示。从图5可知, 各测点应变均随荷载增加而增加, 且当荷载小于120k N时, 荷载-应变曲线基本为直线;当荷载大于120k N后, 荷载和应变成非线性关系。变化规律与荷载-位移曲线一致。

　　 对比试件LGB-1跨中截面应变分布如图6所示。从图6可知, 加载过程中跨中截面应变随荷载增加基本呈线性变化, 符合平截面假定。

　　 各试件在点火4 min左右, 在梁端开始有白色烟雾冒出, 随后盖板接缝处有白色烟雾溢出, 并随着受火时间增加烟雾越来越浓;随着受火时间增加, 跨中挠度逐渐增加。试件LGB-2~LGB-4在接近耐火极限时, 跨中位移急速增加, 同时油压急速下降且不能持荷, 停火。试件LGB-5在受火50 min后, 梁两端部有火焰冒出, 停止试验。待炉温下降, 将构件取出后观察到, 胶合竹梁表面沿胶合方向和垂直胶合方向均出现很多纵横裂缝, 试件LGB-2~LGB-4破坏形态比较相近, 底部胶合层炭化严重, 由于胶层破坏, 底部部分胶合竹层脱落, 取出后跨中剥落较多, 且在底部产生较大的裂缝, 在试验刚结束开炉时, 梁的裂缝和挠度更加明显;浇水灭火后, 梁跨中挠度和裂缝宽度略有减小。试件LGB-5取出后, 观察到除表面炭化外, 仍无明显的破坏特征, 还未达承载性能破坏准则。试验典型照片见图7。

　　 为监测受火过程中胶合竹梁截面温度场变化情况, 在胶合竹梁截面不同位置布置热电偶, 热电偶具体位置如图2 (a) 所示。由实测数据可知, 相同截面各试件相同受火时间时的截面温度场变化规律相近, 在此列出耐火极限时间较长的试件LGB-2和大截面的试件LGB-5的温度变化, 如图8所示 (因试件LGB-2中T4热电偶和LGB-5中T5热电偶故障, 故图中未给出) 。

　　 由图8可知:1) 各测点温度均随受火时间增加而升高, 且停火之后部分测点温度继续升高;2) 测点距截面边缘越近, 相同受火时间下温度越高;3) 在靠近100℃时部分位置测点温度有一个平台, 表明胶合竹梁在升温至100℃时有水分蒸发。

　　 根据《建筑构件耐火试验方法第1部分:通用要求》 (GB/T 9978.1—2008) ^[8], 构件耐火极限判定标准包括:承载能力、完整性、隔热性。判定试件承载能力的参数是变形量和变形速率, 对于抗弯构件, 当跨中挠度达到L²/ (400d) 或跨中挠度变形率大于L²/ (9 000d) 时即认为试件丧失承载力。

　　 本次试验胶合竹梁的跨度均为2 400mm, 对于截面尺寸为100×225的胶合竹梁LGB-2~LGB-4:L²/ (400d) =64mm, L²/ (9 000d) =2.8mm/min;对于截面尺寸为220×450的胶合竹梁LGB-5:L²/ (400d) =32mm, L²/ (9 000d) =1.4mm/min。

　　 试件跨中挠度随时间的变化曲线见图9。从图9可知, 随着受火时间增加, 跨中挠度逐渐增加, 并且增加越来越快。跨中挠度变化率波动较明显。在试件破坏阶段, 挠度发生突变。试件LGB-5挠度变化速率仍较小。各试件的耐火极限见表2。

　　 从表2可知, 相同截面胶合竹梁耐火极限随荷载比增加而明显减小;相同荷载比胶合竹梁耐火极限随截面尺寸增加而明显增大。

　　 火灾试验结束后, 把胶合竹梁表面的炭化层去除, 在梁长方向1/3和2/3位置分别测量胶合竹梁受火后剩余截面尺寸, 进而计算炭化速度。截取薄竹块的照片如图10所示。从图10可知:1) 与木材炭化后截面类似, 胶合竹梁炭化后截面基本可分为三个区域, 即炭化层、高温分解层和常温层。炭化层颜色深黑, 高温分解层颜色灰褐, 常温层颜色无变化。2) 三面受火胶合竹梁梁底角部损伤较严重, 矩形截面燃烧后角部呈圆弧状, 边角棱角不再存在, 这主要是因为角部受到两面热量传递, 炭化速度加快。由于胶层破坏, 底部部分胶合竹层脱落。

　　 胶合竹梁炭化速度实测值见表3。由表3可知, 胶合竹梁水平向炭化速度 (V_B) 均小于竖向炭化速度 (V_D) 。Xu等^[7]通过锥形量热仪试验结果推算得到胶合竹的炭化速度为0.76mm/min。本次试件的平均炭化速度均比锥形量热仪结果明显偏高, 主要是因为耐火极限试验结束后虽然切断燃气, 但还不能使自身可燃的胶合竹梁及时熄灭, 从而导致其燃烧时间大于耐火极限, 致使其炭化速度明显偏大。

　　 (1) 未受火对比胶合竹梁经历弹性阶段、弹塑性阶段后, 发生脆性断裂破坏。试件跨中截面应变基本符合平截面假定。

　　 (2) 胶合竹梁内各测点温度随着受火时间的增加而升高, 且停火之后内部测点的温度仍有所增加。温度测点离构件表面距离越近, 温度越高;相同截面的不同试件距边缘相同距离测点的温度随时间的变化规律相近。

　　 (3) 相同截面的胶合竹梁, 随着荷载比增加耐火极限明显减小;相同荷载比的胶合竹梁, 随着截面尺寸增加耐火极限显著增加。100×225截面胶合竹梁荷载比为0.2, 0.35, 0.5时, 耐火极限分别为30, 22, 10 min;荷载比均为0.2的胶合竹梁LGB-2 (截面100×225) 和LGB-5 (截面220×450) 的耐火极限分别为30, 50 min。

　　 今后开展胶合竹构件的明火试验时, 应采取改进措施, 确保其达到耐火极限或指定受火时间后能及时熄灭, 从而得到其炭化速度。