受拉木构件耐火极限分析

方 敢 志

(长安大学建筑工程学院，陕西 西安　710061)

木结构作为一种传统的结构形式，在我国的建筑历史中一直扮演着举足轻重的地位。然而，木结构面临火灾吞噬的威胁。Firmanti等[1]进行了木梁耐火极限试验，结果表明：持荷水平对木梁的耐火极限有影响。张晋等[2]进行了榫卯节点耐火极限试验，结果表明：减小持荷比可提高耐火极限。利用ABAQUS建立了受火的受拉木构件的有限元模型，数值分析了不同持荷水平、偏心距下受拉木构件的耐火极限。

1　材料性能及其本构关系

1.1　高温下木材的热工性能

1)密度。木材是一种有机物，高温易分解，致使木材密度减小。针对木材的这一特点，EC5[3]给出了木材在高温下的密度折减模型(见图1)。

2)热传导率。诸多学者对木材的热传导率进行了研究，并得到了不同的研究结果。EC5[3]也给出了木材热传导率随温度变化的曲线(见图2)。

3)比热容。针对木材比热容，国外学者对其有深入的研究，并取得了一定成果，而EC5[3]中也给出了其关系曲线(见图3)。

1.2　高温下木材的力学性能

1)拉压强度。诸多研究表明木材的拉压强度均在高温下呈降低的趋势。其中，EC5[3]也给出了相应的双折线强度折减模型，如图4所示。

2)弹性模量。针对高温下木材的弹性模量，诸多学者展开了相应的研究。其中，EC5[3]中也给出了相应的双折线弹性模量模型，如图5所示。

1.3　本构模型

针对本文的研究，假定木材拉应力达到抗拉强度ft时发生脆性破坏，不考虑其应变软化，且弹性阶段，应力—应变成线性关系。

2　分析方法及基本条件

本文则采用间接耦合分析方法，火灾的升温过程采用ISO 834标准升温曲线来模拟，木构件与周围介质间的热量传递采用热对流和热辐射实现，同时EC1[4]给定了受火面、非受火面的热对流换热系数分别为25 W/(m2·K)和9 W/(m2·K)，综合辐射系数为0.8。

3　有限元分析

3.1　模型参数

本文设计了5根四面受火试件进行对比分析，具体尺寸参数见表1。各试件的物理力学性能参数采用文献[5]中杨木试验值，气干密度356 kg/m3，顺拉强度18 MPa，顺压强度16.5 MPa，顺纹弹模参考《木结构设计手册》[6]建议，取4 136 MPa，泊松比0.355。

表1　试件基本参数

3.2　数值模拟结果

模拟了5根受火木构件的截面温度云图和应力云图，得到了各试件的位移变化曲线。

1)拉力F=120 kN。

2)拉力F=145 kN。

3)拉力F=160 kN。

4)偏心距e0=16 mm。

5)偏心距e0=25 mm。

根据图6，图7，图11，图12，图16，图17，图21，图22，图26，图27的数值结果，可得以下结论：

1)从图8，图13，图18，图23及图28可知，距离受火面越远的区域，其温度越低。

2)从图9，图14，图19可知，对于轴拉木构件，初始时间内，各试件截面的应力S33基本保持均匀分布，随受火时间的增长，距离受火面较近区域的应力S33逐渐趋近0，而距离受火面较远的中心区域的应力S33逐渐增大，至试件破坏时达最大；图9，图24，图29可知，对于偏拉木构件，初始时间内，随偏心距的增加，拉应力峰值逐渐向受压区靠近，且受压区由拉应力变为压应力。

3)从图10，图15以图20可知，拉力为120 kN,145 kN及160 kN的轴拉木构件的耐火极限分别为35.2 min,33.7 min,27.3 min；从图10，图25，图30可知，偏心距为0 mm,16 mm,25 mm的偏拉木构件的耐火极限各为35.2 min,35.5 min,30.9 min。

4　结语

通过5根不同持荷水平、偏心距的受拉木构件的耐火极限分析，本文得出以下结论：

1)持荷水平对耐火极限有影响，在一定条件下，耐火极限随持荷水平的增大而减小。

2)荷载偏心对受拉木构件的耐火极限有一定的影响。