正交胶合木(CLT)楼板炭化速度试验研究

摘要

近年来，随着中国建筑行业的迅速发展，建筑结构形式日趋多元化，现代木结构以其环保、节能、舒适等优势再次成为建筑领域的热点。与此同时，正交胶合木（Cross Laminated Timber，简称CLT）板材作为一种新型木结构材料应运而生。据资料统计，中国建筑火灾事故呈现逐年增多的趋势，而木材作为可燃材料，尤需注意，CLT结构也不可避免地面临着火灾的威胁。目前，仅有部分国外学者对CLT结构抗火性能开展了相关的试验与理论研究，而中国关于CLT结构抗火性能的研究尚处于探索阶段，远不能满足CLT结构发展和应用的需求。目前，国外关于CLT防火设计规范有NDS2018（National Design Specification for Wood Construction2018Edition）以及北美CLT手册，而国内由于缺乏C LT板抗火性能相关方面的研究，尚未有相关的规范与标准出台。综上所述，C LT结构抗火性能的研究具有重要的科研价值与工程意义。 本文以国产正交胶合木（CLT）楼板为研究对象，开展了炭化速度试验研究和基于有限元软件ABAQUS中胶黏单元的热-力耦合分析，主要内容可分为以下几个部分： （1）从木材的炭化机理、CLT炭化速度及其计算方法、CLT分层脱落机理研究等角度，总结和回顾国外学者在CLT结构抗火性能领域以及国内学者在CLT结构力学性能领域的研究成果。 （2）以国产CLT楼板所用锯材为试验对象进行材料性能试验，除常规的木材材性试验外，还包括胶黏剂的材性试验研究。 （3）以有限元软件ABAQUS为平台，采用基于胶黏单元的的热-力耦合分析方法对CLT板炭化速度试验中层板脱落的情况进行模拟，通过“Model change”手段考虑层板脱落给温度场带来的变化，分析了CLT构件层板脱落现象以及脱落后炭化速度的变化情况，从而较为准确地获得CLT构件的炭化速度，并通过算例验证了该有限元计算方法的有效性。 （4）以国产CLT楼板为试验对象，进行了30分钟、60分钟、75分钟等指定时间下的炭化速度试验，研究了受火时间、层板厚度、层板脱落对CLT板炭化速度的影响。结果表明：由PUR胶黏剂压制而成的CLT板存在层板脱落现象，且受火时间越长，炭化速度越大；对于存在层板脱落的现象的C LT板，其炭化速度取决于层板数量和厚度，总厚度一致的前提下，3层C LT板抗火性能优于5层CLT板；CLT板原始竖缝过宽是影响其抗火性能的原因之一。 （5）以国产CLT楼板为考察对象进行有限元模拟，分析了CLT板在火灾条件下的温度场变化和层板脱落的情况，并在此基础上分析了受火时间、树种等参数对存在层板脱落现象的CLT板炭化速度的影响。结果表明：考虑层板脱落后的有限元计算结果与试验较为吻合；对于存在层板脱落的CLT板，其强度越小越快发生层板脱落，抗火性能越弱。 （6）结合国外木结构设计规范，阐述了CLT板炭化速度计算方法，提出了基于炭化速度试验的CLT构件层板脱落判断准则，进而改进了考虑层板脱落影响的炭化深度模型，为工程设计人员进行CLT结构防火设计提供参考。

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