陳玲珠， 王 欣， 韓重慶， 許清風， 胡小鋒， 王正昌

(1 上海市建筑科學研究院有限公司 上海市工程結構安全重點實驗室， 上海 200032；2 上海理工大學環(huán)境與建筑學院， 上海 200093； 3 東南大學建筑設計研究院有限公司， 南京 210096)

0 引言

火災是當今世界上發(fā)生頻率較高的一種災害。古往今來，傳統(tǒng)木結構建筑火災舉不勝舉，很多著名的歷史建筑付之一炬，給人類帶來了巨大的文化和財產損失[1-2]。由于木材的可燃性，傳統(tǒng)建筑木結構火災荷載較大，一旦發(fā)生火災，燃燒迅速、火勢猛烈，且易引起成片建筑火災，火災損傷嚴重。因此，傳統(tǒng)木結構建筑的防火性能研究是文物建筑保護的一項重要工作。

木結構建筑中連接節(jié)點是關乎結構整體穩(wěn)定性的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到木結構的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)木結構主要采用燕尾榫、饅頭榫、直榫等榫卯連接方式，其中直榫又分為透榫、單向直榫和半榫。透榫用于大木構件，常做成大進小出的形狀，榫的穿入部分高度按梁或枋本身高，而穿出部分高度，則按穿入部分減半；而單向直榫的穿入部分和穿出部分高度均按梁或枋本身高。透榫和單向直榫適用于需要拉結、但又無法用上起下落的方法進行安裝的部位，半榫通常是在無法使用透榫的情況下使用。由于梁柱榫卯連接時，節(jié)點處梁和柱的截面均有所削弱，因此當節(jié)點受火時損傷較嚴重。榫卯節(jié)點耐火機理的研究對傳統(tǒng)木結構建筑的保護意義重大。

目前關于榫卯節(jié)點的研究主要集中于常溫下的結構性能。淳慶等[3]、趙鴻鐵等[4]、陸偉東等[5]對不同類型榫卯連接節(jié)點常溫下的承載性能及抗震性能進行了研究。陸偉東等[5]、謝啟芳等[6]、張富文等[7]研究了不同類型榫卯節(jié)點的加固方法。目前榫卯節(jié)點火災性能研究較少，張晉等[8]進行了燕尾榫榫卯節(jié)點的耐火極限試驗，研究表明燕尾榫榫卯節(jié)點耐火極限隨持荷水平的增加而減小，且對試件表面進行防火涂料處理可較大程度地提高其耐火極限。文獻中暫未發(fā)現(xiàn)針對透榫和單向直榫榫卯原木節(jié)點耐火極限的相關研究。

本研究主要進行透榫和單向直榫榫卯原木節(jié)點耐火極限的試驗，研究其耐火極限和溫度場變化規(guī)律，為建立傳統(tǒng)木結構建筑防火設計方法和防火性能提升提供技術依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設計

參照清工部《工程做法則例》圖解[9]的構造要求，按照清代大木小式建筑設計制作五個足尺透榫和單向直榫節(jié)點模型，包括三個透榫節(jié)點模型和兩個單向直榫節(jié)點模型，試件統(tǒng)計見表1。面闊(開間)選用最常規(guī)的3.6m，確定檐柱徑為260mm，檐枋高度和寬度分別為260mm和210mm，檐柱和檐枋的長度在不小于節(jié)點影響區(qū)的前提下結合試驗裝置尺寸確定，試件尺寸見圖1。

試件統(tǒng)計 表1

圖1 試件尺寸

1.2 試驗材料

考慮到松木是清式建筑常用的結構用材，選用市場上常見的南方松來制作木梁和木柱。根據(jù)國家標準，實測本次木梁用木材的氣干密度為596kg/m3，含水率為18.7%；順紋抗壓強度為26.9MPa，順紋抗拉強度為73.3MPa，抗彎強度為85.0MPa，順紋抗彎彈性模量為7 640MPa。根據(jù)國家標準，實測本次木柱用木材的氣干密度為641kg/m3，含水率為25.0%；順紋抗壓強度為20.4MPa，順紋抗拉強度為60.0MPa，抗彎強度為97.0MPa，順紋抗彎彈性模量為8 670MPa。

1.3 試驗裝置

本次受火試驗在大型水平試驗爐中進行。將榫卯節(jié)點豎直放置于水平試驗爐中，柱端插入試驗爐預留的槽內，另一端采用錨桿與反力架拉結，木柱底部2m采用防火棉包裹，其余部分受火，木梁三面受火，試驗布置見圖2。

圖2 試驗布置圖

1.4 測點布置

受火試件分別布置熱電偶和位移計來監(jiān)測升溫過程中試件內部的溫度場分布和試件位移，位移計布置如圖2所示，其中DL-1，DL-2和DL-3分別測量距離柱邊20，200mm和500mm處梁的豎向位移。熱電偶布置如圖3所示，1-1和2-2斷面的位置見圖1，其中T1，T2，T3和T4分別測量距離柱邊30，60，90mm和130mm處的溫度；T5和T6分別測量距離梁底25mm和130mm處的溫度。熱電偶通過開洞布置，洞口用木屑填實。透榫節(jié)點和單向直榫節(jié)點熱電偶布置相同，圖3僅給出透榫節(jié)點的熱電偶布置圖。

圖3 熱電偶布置圖

1.5 加載控制

依據(jù)某古建木結構實際荷載，單根木柱豎向荷載取為50kN。采用20t千斤頂對柱頂進行分級加載，加載至50kN時保持恒定；然后采用50t千斤頂對梁端進行分級加載，對于未受火對比試件TJ-1和TJ-2，分級加載至試件破壞。對于受火試件TJ-3～TJ-5，梁端荷載值達到設定荷載比后，保持荷載恒定10min后點火，按照ISO 834標準升溫曲線進行升溫，升溫過程中隨時調節(jié)千斤頂油泵，保證梁端和柱端豎向荷載恒定，直到試件破壞或無法持荷，試件達到耐火極限，停止試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 對比試件TJ-1和TJ-2

對比試件TJ-1，加載至3kN時，木材發(fā)出輕微的開裂聲；加載至9kN時，聲音較大，拔榫量較大；加載至9.5kN時，出現(xiàn)有規(guī)律的聲響，約每隔1s響一次；加載至9.7kN時，荷載達到峰值，之后荷載開始下降，見圖4(a)，節(jié)點越來越松動，榫頭拔出量來越來越大，卯口和榫頭發(fā)生明顯擠壓變形，試件破壞。

圖4 對比試件TJ-1和TJ-2破壞形態(tài)

對比試件TJ-2，加載至17kN時，木材發(fā)出輕微的開裂聲；加載至21kN時，試件能發(fā)生明顯轉動，無法繼續(xù)持荷，見圖4(b)，試件破壞。

對比試件TJ-1和TJ-2的荷載-位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，透榫節(jié)點試件TJ-1，加載初期位移基本呈線性變化，DL-1和DL-2位移接近，節(jié)點轉動較小，接近破壞時位移較大、延性較好；單向直榫節(jié)點試件TJ-2，加載過程中位移與荷載基本呈線性，破壞時較突然。對比發(fā)現(xiàn)，單向直榫節(jié)點試件的承載力比透榫節(jié)點試件的承載力高，這可能是因為受力時單向直榫節(jié)點試件節(jié)點區(qū)域承擔荷載榫頭面積較大所致，也可能是由于摩擦力差異等因素。

圖5 對比試件TJ-1和TJ-2荷載-位移曲線

2.2 受火試件TJ-3～TJ-5

2.2.1 試驗現(xiàn)象

各試件在受火初期，在試件頂部有白色煙霧溢出，并隨受火時間的增加越來越濃。隨著受火時間增加，加載點位移逐漸增加。在接近耐火極限時，加載點位移急速增加，同時油壓急速下降，?；稹Ｔ嚰J-3在受火25min時，火焰竄出，?；稹４隣t溫冷卻后，取出試件，如圖6所示，梁柱均發(fā)生嚴重炭化，且榫頭剩余截面較小。

圖6 試件受火后照片

2.2.2 溫度分布

為監(jiān)測受火過程中木梁和木柱截面溫度場變化情況，在木梁和木柱截面不同位置布置熱電偶，熱電偶具體位置如圖3所示。節(jié)點受火過程中各深度處溫度變化如圖7所示，其中試件TJ-3和TJ-4中熱電偶T1、試件TJ-5中熱電偶T6在試驗過程中損壞。

從圖7可知：1)各測點溫度隨著受火時間的增加而升高，且?；鹬鬁囟认陆递^慢；試件TJ-3中T2在?；鹬鬁囟壬仙^多，這可能是由于木材繼續(xù)燃燒所致。2)離試件表面越近的熱電偶溫度越高，除T1外其余測點溫度均較低。3)各試件在溫度靠近100℃時有一個平臺，表明木構件在升溫至100℃時有水分的蒸發(fā)。

圖7 試件截面溫度隨時間變化曲線

2.2.3 耐火極限

《建筑構件耐火試驗方法 第1部分：通用要求》(GB/T 9978.1—2008)[10]規(guī)定構件耐火極限有三個判定標準：承載能力、完整性、隔熱性。對于榫卯節(jié)點，當梁端位移變化較快導致梁端預加荷載無法持荷時，認定節(jié)點達到耐火極限。

試件梁端豎向位移隨時間的變化曲線見圖8，其中試件TJ-5中DL-1位移計故障。從圖中可以看出，隨著受火時間的增加，豎向位移逐漸增加，并且增加速度加快。在試件破壞階段，位移發(fā)生突變。試件TJ-3在受火25min時由于火焰竄出?；?，所以停火時梁端位移仍較小。各試件的耐火極限見表2。從表2可知，相同類型的透榫節(jié)點，隨著荷載比的增加耐火極限減??；相同荷載比時，單向直榫節(jié)點耐火極限比透榫節(jié)點稍高，這可能是因為單向直榫節(jié)點榫頭截面沒有突然變小，受火后節(jié)點區(qū)域承擔荷載的榫頭面積仍比透榫節(jié)點稍大。

圖8 試件梁端豎向位移隨時間變化曲線

本研究試驗結果與文獻[8]持荷比0.5燕尾榫榫卯節(jié)點耐火極限為21min的試驗結果接近。與文獻[11]中螺栓連接節(jié)點耐火極限相比，相同荷載比時榫卯連接節(jié)點的耐火極限稍高；荷載比為0.3時螺栓連接節(jié)點的耐火極限小于15min。但文獻[12]中螺栓較密時，螺栓連接節(jié)點耐火極限超過30min。《木結構設計標準》(GB 50005—2017)[13]要求木結構建筑梁柱構件耐火極限達到1h，傳統(tǒng)木結構建筑榫卯節(jié)點的耐火極限相對較低，因此，在傳統(tǒng)木結構建筑使用中應注意防火安全。對現(xiàn)有傳統(tǒng)木結構建筑榫卯節(jié)點連接處建議采用透明阻燃液全露面涂刷工藝；落架大修維護修繕古建筑時，建議對拆卸下來的木構件統(tǒng)一進行阻燃工藝處理。應進一步研究木結構榫卯節(jié)點的耐火性能提升技術。

實測試件耐火極限 表2

2.2.4 炭化速度

火災試驗結束后，在梁上取兩個截面，其中一個在榫頭截面、另一個在梁上距榫頭50mm處，柱上取三個截面，截面位置如圖9所示，截取的薄木塊照片如圖10所示。將木梁和木柱表面的炭化層去除，分別測量木梁和木柱受火后剩余截面尺寸，按式(1)和(2)計算出木梁和木柱的炭化速度，其中木柱炭化速度根據(jù)3個截面剩余截面尺寸平均值計算，見表3。由于木梁三面受火，梁頂面未發(fā)生炭化，因此式(1b)與其余公式不同。

圖9 剩余截面尺寸量測位置

圖10 截取的剩余截面

(1a)

(1b)

(2)

式中：VB和VH分別為木梁水平向和豎向炭化速度，mm/min；B和b分別為受火前和受火后木梁寬度，mm；H和h分別為受火前和受火后木梁高度，mm；t為受火時間，min；VD為木柱炭化速度，mm/min；D和d分別為受火前和受火后木柱直徑，mm。

從圖10可知：1)木梁和木柱炭化后截面基本可分為三個區(qū)域，即炭化層、過渡層和常溫層。2)三面受火木梁梁底角部損傷較嚴重，矩形截面木梁燃燒后端部呈圓弧狀，這主要是因為角部受到兩面熱量傳遞，炭化速度加快。3)四面受火圓木柱受火后截面基本呈圓形，但有的截面呈橢圓形或有凸起，這主要是因為該截面受火前可能存在開裂，開裂處炭化速度較大。4)由于受到木柱的保護，靠近木梁一側榫頭截面炭化速度很小。

由表3可知，三個試件榫頭截面處炭化速度均比梁處炭化速度小，這主要是因為榫頭埋入木柱中，量測炭化深度處榫頭截面受木柱保護所致。試件豎向炭化速度(VH)均大于水平向炭化速度(VB)。歐洲規(guī)范EN 1995-1-2[14]規(guī)定密度大于290kg/m3的軟木原木炭化速度為0.8mm/min。本次試驗測得的平均炭化速度比歐洲規(guī)范建議值稍偏大，主要是因為?；鸷竽竟?jié)點未及時熄滅所致。

試件炭化速度實測結果 表3

3 結論

(1)常溫下單向直榫節(jié)點試件的承載力比透榫節(jié)點試件的承載力高。

(2)木梁和木柱內各測點溫度隨著受火時間增加而升高，且?；鹬髢炔繙y點的溫度仍有所增加；溫度測點離構件表面距離越近，溫度越高。

(3)相同類型的榫卯節(jié)點，隨著荷載比的增加耐火極限減?。粏蜗蛑遍竟?jié)點耐火極限比透榫節(jié)點稍高。透榫節(jié)點荷載比為0.3和0.5時，耐火極限分別為25min和20min；單向直榫節(jié)點荷載比為0.5時，耐火極限為24min。

(4)傳統(tǒng)木結構建筑榫卯節(jié)點的耐火極限較低，在使用中應注意防火安全，并應深入研究文物建筑木結構榫卯節(jié)點的耐火性能提升技術。