火灾下历史建筑竖向蔓延及木梁承载力计算方法.pdf

新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期历史建筑是国家文化遗产的重要组成部分，不仅代表国家的历史和文化，更代表国家的记忆和灵魂。历史建筑大部分为木结构建筑，其主要受力构件为木质材料，一旦发生火灾，会在建筑内迅速蔓延甚至蔓延至周边相邻建筑，国内多个文物建筑和历史建筑因火灾而损失惨重。因此，研究火灾在建筑内部的蔓延十分必要。火灾下建筑内部发生蔓延时，主要受力构件是否还具备承载力对研究历史建筑在火灾下的蔓延及坍塌具有重要意义。1 研究现状部分学者对木结构在火灾下的蔓延和构件耐火极限进行了相关试验研究和理论分析。倪照鹏等1对木结构构件进行耐火试验，研究木结构构件的耐火性能、破坏模式以及验证木结构构件的耐火极限值。研究结果表明，木结构建筑构件具有较好的耐火性能，能达到所要求的耐火极限。许清风等2通过7根木梁三面受火的对比试验，研究不同截面尺寸、不同持荷水平、是否采用防火涂料的木梁的耐火极限。研究结果表明，木梁耐火极限随持荷水平的增加而降低，随截面尺寸的变大而增加，在木梁表面涂抹防火涂料后，木梁耐火极限亦明显提高。陈玲株等3分别介绍并对比了各国规范中木梁耐火极限的计算方法，发现基于剩余截面法的木梁耐火极限计算方法能较好地预测木梁的耐火极限。陈玲珠4采用有限元软件较系统地研究了木构件的截面温度场分布规律，研究表明，材料密度越大，截面温度上升越慢，而含水率对截面温度分布影响较小。王正昌5对木梁、木柱进行处理，通过试验研究和有限元模拟，对传统木结构典型构件的耐火极限和受火后力学性能进行较全面的研究。杨欢6从木结构吊脚楼古建筑构件火灾试验出发，对木梁、木楼板及隔墙木板构件进行试验研究。国内学者对木梁的研究较多，但是针对具体工程更需要研究火灾下建筑内蔓延机制及木结构承重构件的耐火极限，本文将针对上述问题展开研究。2 楼板温度场计算温度场是计算火灾高温作用下结构或构件受力的前提条件，其首要工作是确定火灾升温曲线、边界条件和材料热工参数。对于一般的建筑火灾，升温曲线选用 建筑设计防火规范（2018版）（GB 500162014）7规定的ISO 834标准升温曲线（图1）。构件温度场边界条件包括对流传热和辐射传热，辐射传热和对流传热边界条件中的辐射换热系数和对流换热系数根据欧洲规范EC1取值。在火灾作用下，结构和外部环境之间主要是通过对流和辐射进行传热的；在结构内部主要通过热传导的方式进行热量的转移。图 1ISO 834标准升温曲线某历史建筑木结构楼面做法大样如图2所示，该历史建筑楼板自下而上分别由20 mm杉木板、20 mm砂浆和20 mm实心黏土砖组成。由于杉木在火灾作用下会被引燃，保守起见，本文假设杉木板为该楼板的点火源不参与楼板传热计算，砂浆层为直接受火面，温度由砂浆层传向粘土砖层。下文给出砂浆及粘土砖建筑规划与设计DOI:10.12203/j.xclxzs.1671-9344.202321031作者简介：郑蝉蝉（1986），女，正高级工程师，博士。研究方向：建筑防火。基金项目：住建部课题“历史文化街区火灾风险分级管控与消防安全提升技术研究”（No.2022-K-054）。火灾下历史建筑竖向蔓延及木梁承载力计算方法郑蝉蝉，肖泽南，陈静，张耕源，马子超（建研防火科技有限公司，北京，100124）摘要院我国历史建筑以木结构为主，木结构建筑在火灾下会发生竖向蔓延甚至坍塌，为研究火灾下历史建筑竖向受力构件的受力性能及蔓延特性，文章首先采用ABAQUS温度场计算楼板背火面引燃上部可燃物的时间，再依据国内外规范规定的计算木梁的耐火极限，以此判定楼板发生竖向蔓延时，木梁是否具备承载力。这种计算方法国内较少，可为实际工程提供理论参考。关键词院历史建筑；竖向蔓延；耐火极限中图分类号院TU366.2文献标志码院A文章编号院1671-9344(2023)21-0111-041 2001 000800600400200时间（min）010080604020111-新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期（3）图 3砂浆的导热系数图 4混凝土比热和容重随温度的变形曲线Lie等8在计算截面温度场时，考虑了砂浆中水蒸汽对温度场的影响，并给出了水分在低于100益时的热工参数，如下所示：籽w cw4.2106J/m3 益式中，籽w为水的容重；cw为比热。由于水蒸汽主要影响混凝土的热工性能，韩林海9假设砂浆中所含水分的质量百分比为5%，然后对砂浆的热工参数做了如下修改：籽ccc0.95籽ccc0.05籽wcw（T100益）籽ccc籽ccc（T100益）嗓式中，籽c和cc为考虑水蒸汽对砂浆影响时砂浆的容重和比热；籽c和cc为没有考虑水蒸汽对砂浆影响时内部砂浆的容重和比热。2.1.2粘土砖的热工参数。根据王世峰10提供的计算参数，粘土砖的热工参数包括：热传导系数（姿b）、比热容（cb）和容重（籽b）。黏土砖的密度为800 kg/m3，比热cb0.840.00026T，导热系数姿b0.260.00023T，其中T为温度。2.2 ABAQUS传热模型对ABAQUS建模如下，上层为20 mm厚黏土砖，下层为20 mm厚砂浆，二者之间为接触连接，楼板示意图如图5所示。采用二维传热分析，即只考虑温度沿型钢混凝土柱表面的温度传递，不考虑温度场沿构件长度方向的变化。图 5楼板示意图2.3 温度场结果木楼板在保持荷载不变的条件下按照ISO 834标准升温曲线升温，图6为各时段楼板上下表面的温度云（2）籽ccc2.566106J/（m3 益）0益T400益（0.1765T68.034）106J/（m3 益）400益T410益（-0.05043T25.00671）106J/（m3 益）410益T445益2.566106J/（m3 益）445益T500益（0.01603T5.44881）106J/（m3 益）500益T635益（0.16635T100.90225）106J/（m3 益）635益T715益（0.22103T176.07343）106J/（m3 益）715益T785益2.566106J/（m3 益）T785益扇墒设设设设设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设设设设设（1）的热工参数。图 2某历史建筑木结构楼面做法大样2.1 温度场参数2.1.1砂浆的热工参数。砂浆的热工参数包括：热传导系数（姿c）、比热容（cc）和容重（籽c）。砂浆的导热系数（图3）取决于砂浆中各材料的热传导率，主要的影响因素有骨料类型和水份含量。砂浆的热传导系数（姿c）与温度（T）的分段关系式如下式所示。姿c1.355 W/（m 益）0益T239益-0.001241T1.7162 W/（m 益）T239益嗓砂浆比热容和容重的计算公式为式（2），混凝土比热和容重随温度的变形曲线如图4所示。建筑规划与设计（4）20 mm厚实心黏土砖20 mm厚砂浆20 mm厚杉木板D150 mm杉木木梁500 mm温度（益）01 2001 00080060040020021.510.5温度（益）-3002007001 200410731072107110720 mm厚黏土砖20 mm厚砂浆XYZ0112-新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期图，楼板的传热过程中，NT11表示温度，单位为摄氏度。由于木材的着火温度为260270益，在此保守选择260益作为楼板引燃上部木质可燃物的标准11。图 6各时段楼板上下表面的温度云图由图6可知，受火开始0 min时，楼板的初始温度为20益；受火5 min时，受火面温度为572益，背火面温度为35益；受火10min时，受火面温度升高为675益，背火面温度升高为140益；受火14.5 min时，受火面的温度升高为731益，背火面温度升高为260益。上述数据证明，随着受火时间增加，受火面和背火面的温度一直在增加，且温度云图出现层化反应，这与宋天诣12提到的构件在高温下的“分层法”一致。且由图6可知，离火源越近，温度越高，反之温度越低。由图7楼板背火面的温升曲线可知，楼板背火面达到260益的时间为14.5 min，因此在火灾过程中，楼板背火面引燃上部木结构的时间为14.5 min。图 7楼板背火面的温升曲线3 木梁耐火极限计算3.1 计算步骤木梁耐火极限计算步骤如下：（1）获取木梁的基本参数。（2）按照 木结构设计标准（GB 500052017）13计算木梁常温下的承载能力。（3）计算常温下的外荷载，并进行荷载组合。（4）根据加拿大规范National building code ofCanada volume 214的木梁耐火极限简化公式，计算木结构梁的耐火极限。3.2 基本参数该历史建筑中木梁材质为杉木，梁基本参数如表1所示。杉木抗弯强度设计值按 木结构设计标准（GB 500052017）13进行设计。表 1梁基本参数3.3 楼面常温下的荷载依据楼面结构示意图，计算楼面恒荷载，按照家具、人活动的情况等估算活荷载。恒荷载和活荷载组合计算（表2），总荷载1.05（恒荷载0.7活荷载），木梁的楼面外荷载为308 kg/m2。3.4 木梁常温下的承载能力按照 木结构设计标准（GB500052017）13计算木梁常温下的承载能力，木材抗弯强度设计值如表3所示，并按照“切去部分的圆心角是90毅”的假设计算截面抵抗矩Wn。由表3可得，150 mm木梁达到承载能力时楼板面荷载为333 kg/m2。其中，梁非圆也非半圆，木梁剖面图如图8所示。建筑规划与设计基本参数木梁1号木梁截面直径D（mm）150木梁长度L（mm）4 100木梁间距L（mm）500木梁抗弯强度设计值 fm（MPa）11时间（min）7006005004003002001006001020304050（b）5 min（楼板上表面温度35益，下表面温度572益）5.723e025.276e024.828e024.380e023.933e023.485e023.037e022.590e022.142e021.694e021.247e027.988e013.511e01（a）0 min（楼板初始温度20益）2.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e012.000e01NT11NT11（c）10 min（楼板上表面温度140益，下表面温度675益）6.752e026.306e025.859e025.413e024.967e024.521e024.074e023.628e023.182e022.735e022.289e021.843e021.396e02NT11（d）14.5 min（楼板上表面温度260益，下表面温度731益）7.312e026.920e026.529e026.137e025.745e025.354e024.962e024.570e024.178e023.787e023.395e023.003e022.612e02NT11113-新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期（6）表 2恒荷载和活荷载组合计算表 3木材抗弯强度设计值图 8木梁剖面图3.5 木梁耐火极限根据加拿大规范National building code of Canadavolume214，木梁四面受火时耐火极限简化计算方法。四面受火时，t0.1ZB（42B/D）（5）式中，Z为考虑荷载比影响的系数；R为荷载比，定义为火灾下的荷载与常温下承载力设计值之比；B为截面宽度，m；D为截面高度，m。木梁受火时，不考虑热胀效应，木梁火灾下总荷载与常温下总荷载相同，将3.2节与3.3节的计算结果带入。根据表3的计算结果，木梁在火灾下的耐火极限为25.8 min（表4）。综上，14.5 min楼板引燃上部木结构，而木梁在火灾下的耐火极限为25.8 min，表明火灾由楼板蔓延至上层建筑时，该历史建筑的木梁未达到耐火极限，依然对楼板起承托作用。表 4木梁耐火极限计算综上，木结构建筑发生火灾过程中存在竖向蔓延，在火灾情况下，火灾竖向蔓延的时间和梁结构失去承载力的时间对研究木结构火灾下的行为至关重要15。通过研究发现，火灾发生竖向蔓延时，梁仍然具备承载力，该计算方法可再现历史建筑在火灾下的受力情况及蔓延过程，为历史建筑抗火研究提供理论依据。参考文献院1 倪照鹏,彭磊,冠秋芳,等.木结构建筑构件耐火性能试验研究J.土木工程学报,2012,45(12):108-114.2 许清风,张晋,商景祥,等.三面受火木梁耐火极限试验研究J.建筑结构,2012,42(12):127-130.3 陈玲珠,王欣,许清风.三面受火木梁耐火极限计算方法J.防灾减灾工程学报,2016,36(3):399-404.4 陈玲珠.火灾下木构件温度场分布数值模拟研究J.结构工程师,2016,32(1):31-37.5 王正昌.传统木结构典型构件火灾性能试验研究D.南京:东南大学,2018.6 杨欢.古建筑典型木结构构件耐火性能试验研究D.贵阳:贵州大学,2021.7 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑设计防火规范(2018版):GB 500162014S.北京:中国计划出版社,2018.8 LIE TT,DENHAM EMA.Factors affecting the fire resistanceof circular hollow steel columns filled with bar-reinforcedconcreteR.Ottawa:National Research Council Canada,1993.9 韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践(第二版)M.北京:科学出版社,2007.10 王世峰.稳态传热砌体材料外表面限定温度取值范围J.中国陶瓷,1998(3):18-19.11 龙玟蒽.古商业街木结构建筑防火间距的数值模拟研究D.合肥:中国科学技术大学,2020.12 宋天诣.火灾后钢-混凝土组合框架梁-柱节点的力学性能研究D.北京:清华大学,2010.13 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.木结构设计标准:GB 500052017S.北京:中国建筑工业出版社,2017.14 Canadian Commission On Building and Fire Codes.Nationalbuilding code of Canada volume 2S.Ottawa(Canada),2010.15 范新海,张盛东,屈文俊.重型木结构抗火设计方法介绍J.结构工程师,2010,26(6):16-20.荷载类别荷载分类木梁荷载（kg/m2）恒荷载20厚300300实心粘土砖（mm）3620厚粘石灰砂浆（mm）3220厚杉木板（mm）8木梁自重22合计恒荷载98活荷载人180家具，吊顶100合计活荷载280建筑规划与设计与木梁承载力的相关参数木梁1号0.74.90.91.0木材抗弹性模量标准值比抗弯强度标准值（Ek/Fmk）200计算长度le（mm）3 895姿m12.7长细比姿B5.6稳定性系数l0.97截面抵抗矩Wn（mm3）210 937截面梁弯矩承载力值M（Nm）2 247达到抗弯承载力时线荷载q（N/m）1 629达到抗弯承载力时楼板面荷载Q（kg/m2）333材料相关系数ambmcm茁1.3R0.50.70.3RR0.5Z嗓耐火极限计算木梁荷载比R308/3330.93若R0.5Z1.03若R0.5按照等面积原则，将木梁截面换算为当量长、宽B（mm）125D（mm）128四面受火木梁耐火极限25.8 min114-