內夾單層鍍鋅板復合望板系統耐火性能研究

郭世慶，劉永軍

(沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧沈陽 110168)

0 引言

據2021 年第七次全國人口普查數據，居住在村鎮中的戶籍人口已占同期全國總人口比例約36.11%。在村鎮建筑中，木材因其綠色環保且造價低廉的特點成為必不可少的建筑材料。由于木材易于燃燒，使得建筑火災風險性加大。一旦結構出現明火，構件表面充分與空氣接觸，又因空氣補給快，一旦起火，火勢很容易蔓延。因此，火災仍然是傳統木結構建筑的主要建筑隱患與致命威脅之一。2017 年5 月26 日，貴州省榕江縣仁吉村發生一起火災，火災燒毀房屋24 間，受火面積為1 561 m2，3人死亡，造成經濟財產損失約160 萬元。2020 年1 月1 日，貴州省從江縣上歹村發生火災，一間房屋起火后相鄰建筑屋也被燒毀，最后燒毀房屋數量兩間，面積約200 m2，5 人死亡，損失慘重。2021 年2 月14 日，云南省翁丁老寨發生火災，燒毀房屋104 棟，造成的經濟損失無法估量。

目前，國內外學者對于木結構耐火性能已做了大量研究。Elza MM Fonseca 等[1]研究了木板中夾入鋼板的結構的耐火性能。研究結果表明，鋼板在一定程度上隔絕了火源和木材的接觸，增加了耐火時間，但高溫導致鋼板附近的木材焦化嚴重。Richardson[2]等研究了如何改善既有建筑木屋面和木露面的耐火極限。研究表明，在木樓蓋下方安裝石膏板是提高耐火極限性能的有效方法。北京建筑大學劉棟棟等[3]通過有限元軟件對木結構屋架在常溫和高溫下進行模擬，研究表明，在標準升溫曲線下，木結構屋架檁條以下的主體受力結構耐火極限能達到60 min，高于椽子和望板的耐火極限。

由于村鎮地區屋頂系統大多為傳統的木結構望板系統和冷攤瓦屋頂系統兩種。本文提出了一種新型的內夾單層鍍鋅板木-鋼復合望板屋頂系統。該構件是由兩層傳統薄木望板中間夾一層薄鍍鋅板組成，工藝簡單，節能環保且價格低廉，能夠廣泛用于村鎮地區。本文采用Abaqus 模擬軟件建立的有限元分析模型，在標準的升溫曲線情況下，對上述三種屋頂系統均進行了溫度場數值模擬的分析，后又在溫度場分析模型的研究基礎上，采用了熱應力順序耦合法的分析形式，在同等荷載的作用下進行應力場對比分析。為該類屋頂結構抗火設計提供參考。

1 建立有限元模型

分析模型源于甘肅省張掖市樂民縣高郝村，如圖1 所示。依據實體構件建立相對應的有限元模型，分析構件上的溫度場變化分布等情況以及火災條件影響下和相同載荷環境下產生的有限元結構性能變化情況。具體的模型結構包括木梁、木板以及鍍鋅鋼板，梁、木板、鋼板之間均由鐵釘連接。在模型建立中，為了保證唯一變量條件，三個屋頂系統木梁直徑及木板總體厚度相同。在結構組成上，新型復合望板系統由兩層木望板夾一層鍍鋅鋼板組成，傳統望板系統中只有一層木望板，冷攤瓦系統則是將木板間留出空隙。構件具體尺寸如圖2 所示。

圖1 傳統屋頂系統

圖2 構件模型

利用Abaqus 軟件建立裝配模型，定義各項裝配材料屬性，后即可對裝配體系統中的各個構件逐一進行裝配。由于足尺模擬構件尺寸相對于起固定作用的鋼釘較大，故將鋼釘忽略。試件裝配體模型如圖3 所示。

圖3 屋頂系統裝配示意圖

研究三種屋頂系統耐火極限的有限元模擬分析方法選用熱應力順序耦合法。該方法分為溫度場模擬和結構場模擬兩種方式進行。首先進行模型內部的溫度場模擬分析，得出在各個溫度環境中，各材料體系及相關構件的局部升溫情況，再將該材料升溫情況分別導入應力場模型系統中，施加相同荷載作用力，計算得出兩種主要荷載共同作用狀態下材料的各構件結構性能變化情況。

2 溫度場分析

2.1 建立模型及劃分網格

該溫度場分析模型具體尺寸采用實例數據，網格尺寸為20 mm，如圖4。

圖4 新型望板網格劃分圖

2.2 材料參數設置

溫度場模擬中，只需考慮材料的熱工性能。熱工性能包括導熱系數、密度、比熱容，將鍍鋅鋼板視為鋼材，本文參考歐洲規范EN 1995-1-2[4]和EN 1993-1-2[5]分別對木材和鋼材的熱工性能進行取值。

2.3 邊界條件與接觸方式

溫度場分析時采用ISO 834 標準升溫曲線并按照現實火災發生情況設置受火區域。在新型木-鋼結構望板模型和傳統木結構望板模型中，木梁表面區域及木板下表面區域設置受火，在冷攤瓦模型中，木梁表面及木板下、側表面區域受火。其余部分則全部設置為不受火災直接作用，如圖5 所示。設置材料的起始溫度為20 ℃，受火面熱對流交換系數為25 (W/m2℃)時，非受火面熱對流交換系數9 (W/m2℃)，鋼材表面的熱輻射系數取值為0.7，木材取值0.8，接觸面采用綁定的方式來設置，使材料其表面熱量能夠在不同類型材料間傳遞[6]。

圖5 屋頂系統受火示意圖

2.4 溫度場分析結果

2.4.1 傳統望板系統溫度場分析結果

圖6 為不同時刻傳統木望板的截面溫度云圖，從截面云圖中可以看出，隨著火災溫度的不斷升高，木梁、望板的炭化層深度也不斷加深。在Abaqus 模擬中設置木材在升溫過程中的炭化界限溫度為300 ℃[7]，云圖中灰色區域代表此處木材已經發生炭化。

圖6 傳統望板各時刻跨中截面溫度場云圖

在t=300 s 時，受火面在火荷載作用下，溫度不斷升高，此時望板下端和木梁表面溫度已經超過300 ℃，開始炭化。

在t=900 s 時，此時望板下端和木梁表面已經炭化完全，在火荷載和熱量表面傳遞作用下，炭化層進一步加深。

在t=1 500 s 時，熱量由受火面的高溫區傳遞到背火面的低溫區，此時剩余未炭化厚度僅3.8 mm（圖6）。

2.4.2 冷攤瓦系統溫度場分析結果

圖7 為不同時刻冷攤瓦屋頂系統的截面溫度云圖，從截面云圖中可以看出，隨著火災溫度的不斷升高，木梁、望板的炭化層深度也不斷加深。由于冷攤瓦系統中，木板間有空隙，所以木板為三面受火。

圖7 冷攤瓦各時刻跨中截面溫度場云圖

在t=300 s 時，受火面在火荷載作用下，溫度不斷升高，此時望板下端和木梁表面溫度已經超過300 ℃，開始炭化。

在t=900 s 時，木梁炭化深度同傳統望板基本一致，但由于木板為三面受火作用，木板炭化速度更快，此時剩余未炭化厚度僅為4.5 mm。

在t=1 500 s 時，剩余木梁未炭化區域直徑18.3 mm，木板已全部炭化，如圖7。

2.4.3 新型木-鋼望板系統溫度場分析結果

圖8 為不同時刻新型木-鋼望板系統的截面溫度云圖，從截面云圖中可以看出，隨著火災溫度的不斷升高，木梁、望板的炭化層深度也不斷加深。但由于在兩層木望板間夾一層鍍鋅鋼板，在同等厚度望板的前提下，鋼板很大程度上阻隔了熱量向上傳遞，減緩了上層木板炭化速度。

圖8 新型木-鋼望板各時刻跨中截面溫度場云圖

在t=300 s 時，受火面在火荷載作用下，溫度不斷升高，此時望板下端和木梁表面溫度已經超過300 ℃，開始炭化。

在t=900 s 時，木梁炭化深度同傳統望板基本一致，下層木望板基本炭化完全，但由于鍍鋅鋼板的作用，阻隔了熱量向上傳遞，上層木望板并沒有發生炭化現象。

在t=1 500 s 時，木梁炭化深度同傳統望板基本一致，下層木望板炭化完全，由于鍍鋅鋼板的作用，上層木望板仍沒有發生炭化，如圖8。

2.4.4 三種屋頂系統溫度場對比分析

1）新型復合望板在木板同等厚度的前提下增加了一層0.4 mm 的鍍鋅鋼板，在鍍鋅鋼板的作用下除了整體耐火性能提高外，新型復合望板的保溫隔熱性也有很大程度提高。

2）新型復合望板中由于有鍍鋅鋼板的存在，上層望板與下層望板被鍍鋅鋼板分為上下兩個區域，當下層區域的熱量傳遞到上層區域時，由于火焰不能直接引燃上層望板，在上層望板與鍍鋅鋼板之間產生的可燃氣體短期內會從網板間的空隙排放到空氣中，因此降低了上層望板的溫度上升速度，如圖9。

圖9 各測點升溫圖

3 結構場分析

3.1 材料參數設置

模擬的木材為花旗松，常溫情況下的平均木材密度為約為480 kg/m3,含水率約為10.4%[8]，彈性模量選用工程常數，塑性強度采用Hill 屈服準則定義[9]。順紋彈性模量為10 178 MPa，順紋抗拉強度為78 MPa，順紋抗壓強度為29.38 MPa，其他木材參數參考《木結構設計手冊》[10]建議進行取值，如表1。

表1 木材本構關系模型參數

薄鋼板材料選用Q345 型鋼，鋼材彈性模量為2.06×105MPa，按照fk=f（1-1.645v）取屈服強度標準值，屈服強度平均值分別為406 MPa 和754 MPa。

高溫下，木材的力學性能按照EN 1995-1-2 進行折減，鋼板的力學性能按照EN 1993-1-2 進行折減。需要注意的是，EN 1995-1-2 建議300 ℃時木材的彈性模量與強度取值為0，Abaqus 中無法定義0 彈性模量及0 強度，因此將300 ℃的彈性模量、強度取為常溫下的1/100。

鋼材的熱膨脹系數（單位m/m*K）

3.2 建立模型與劃分網格

結構場分析模型的建立與溫度場分析模型一致，現實中木梁直接固定在柱子上，在Abaqus 直接設為完全固定即可。網格劃分與溫度場也保持一致，以保證數據的有效性。

3.3 接觸設置

結構場分析時，木梁與木望板、鋼板之間接觸方式采用表面與表面接觸，各個接觸面設為綁定接觸，以保證力傳遞的有效性。

3.4 邊界條件與荷載

三種屋頂系統中，木梁均為主要受力載體，模擬時將木梁兩端設置為固接。受火過程中，在最上層望板表面的豎直方向施加均布荷載1.168 kN/m2，為模擬真實荷載。如圖10。

圖10 邊界條件設置示意圖

3.5 耐火極限判定標準

根據《建筑構件耐火極限試驗方法》[11]中的結論，試件本身的抗火程度應該包含了承重能力以及構件之間的空間完整性。規范條文中指明，受彎構件在跨中最大變形彎曲速率達到L2/9 000 d(mm/min)時或者構件跨中的撓度達到L2/400 d(mm)時，認為該構件已經達到最大承載力極限。本文將所述研究對象看作木板構件及木梁構件組成，根據判定標準可以認為當木板跨中最大撓度達到38 mm 左右時，或最大位移變化的速率達到1.7 mm/min 時，構件開始失去初始承載能力；而木梁在跨中最大撓度達到100 mm 時或跨中位移變化的速率達到4.4 mm/min 時，構件失去了承載能力。

3.6 結構場模擬結果分析

圖11 是木板跨中位移與時間結果曲線。研究得出，隨著受火時間變長，跨中撓度逐漸變大。

圖11 木板跨中時間-位移曲線

t=1 310 s 時，傳統木結構望板跨中最大撓度達到38 mm，判定失去承載力；

t=1 495 s 時，冷攤瓦屋頂系統跨中最大撓度達到38 mm，判定失去承載力；

然后新型木-鋼結構望板系統整個過程最大撓度及最大位移變化速率均未達到極限值，但由于木梁是整個系統的主要受力構件且已炭化完全，所以選定木梁作為破壞判定依據。在Abaqus 軟件中，重新選用一根木梁進行熱應力順序耦合。根據結果，t=2 268 s，木梁跨中最大撓度100 mm，新型木-鋼結構望板系統到達極限承載力，即發生破壞，如圖12。

圖12 木梁跨中時間-位移曲線

結果表明：新型木-鋼結構望板系統耐火極限相對于傳統木結構望板系統提高73%，相對于冷攤瓦系統提高52%。

4 結論

本文對新型木-鋼結構望板系統、傳統木結構望板系統、冷攤瓦屋頂系統三種屋頂的耐火極限進行了溫度場分析以及結構場分析，在相同荷載條件作用下的耐火極限的結構場分析中得出，新型木-鋼望板由于有鍍鋅鋼板的存在，在望板與鍍鋅鋼板夾縫中燃燒產生化學變化的原因，也降低了上層望板的溫度上升速度。同時，結構場中新型復合望板的耐火時間要長于傳統望板，具有更好的耐火性能和支撐能力。在火災中能夠長時間保持原有結構不塌陷，為居民逃生提供足夠的時間。此類望板系統為村鎮木結構建筑和改造提供參考。