钢-木螺栓连接木结构框架火灾反应试验研究

摘要

木结构建筑在我国的发展拥有悠久的历史，近年来，随着我国经济的迅猛增长，建筑结构形式的发展日趋多元化，绿色环保、舒适健康的建筑需求使得木结构建筑再次成为建筑领域的热点。在我国的既有建筑中，存在大量具有历史价值和文化价值的古木建筑，与此同时，木结构也因纹理美观、材料环保可再生而被广泛运用于新建建筑中。据统计资料显示，近年来我国建筑火灾的发生呈增多的态势，火灾具有极大的危害性，造成大量的财产损失和人员伤亡。我国现存的诸多木结构建筑都不可避免地面临着火灾的威胁，然而，木结构抗火在我国的研究尚处于初级阶段，虽然已有部分学者开展了相关的试验与理论研究，但远不能满足木结构发展和应用的需求。在防火设计方面，我国现行规范中有关木结构防火的相关规定主要参考欧美发达国家规范制定，缺乏基于我国研究人员科研成果的运用。鉴于上述情况，加强木结构建筑抗火性能的研究具有重大的意义。
　　本文以钢-木螺栓连接木结构框架为研究对象，开展了火灾试验研究和有限元软件ABAQUS平台上的火灾环境下模型热-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、炭化速度和木结构火灾下的力学性能等角度，总结和回顾国内外学者在木结构抗火性能研究领域的主要工作与成果。
　　(2)以有限元软件ABAQUS为平台，采用温度场-结构场顺序耦合分析方法对既有试验进行模拟，通过试验结果与计算结果的对比验证了该分析方法的有效性。
　　(3)以现代木结构常用的钢填板螺栓连接T型节点为考察对象进行参数分析，通过有限元软件ABAQUS计算分析了火灾条件下，持荷水平、螺栓直径和螺栓边距对节点的破坏模式与耐火极限的影响。结果表明，持荷水平的增大、螺栓直径的增大以及螺栓边距的减小均会导致耐火极限的降低。
　　(4)以钢-木螺栓连接木结构框架为试验对象，进行了1榀常温下静载试验和3榀高温下耐火极限试验，考察了持荷水平、隅撑设置对木结构框架破坏模式与耐火极限的影响。结果表明，降低试件持荷水平和增加隅撑均为提高试件耐火极限的有效途径;增设隅撑改变了原木框架的内力分布，减小了跨中弯矩和梁端剪力，从而延缓了梁端剪切破坏的发生。
　　(5)以钢-木螺栓连接木结构框架为考察对象进行有限元模拟，分析了整体框架在火灾条件下的结构响应和内力变化情况。
　　(6)结合国内外木结构设计规范，针对木结构的抗火设计提出建议，采用“折减截面法”对《木结构设计手册》中常温下的承载力计算公式进行适当转化，获得了火灾条件下梁、柱构件与螺栓连接的承载力计算公式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 木结构概述

1．1．2 木结构工程案例介绍

1．2 木结构抗火研究背景

1．2．1 木结构火灾的危害

1．2．2 木结构抗火研究的意义

1．3 木结构抗火研究的现状

1．3．1 国外木结构抗火研究

1．3．2 国内木结构抗火研究

1．3．3 规范对木结构防火设计的规定

1．4 本文主要研究内容

第二章 钢-木螺栓连接直线型节点耐火极限有限元分析

2．1 木材本构关系模型

2．1．1 弹性阶段本构方程

2．1．2 屈服准则

2．1．3 损伤发展

2．1．4 断裂性能

2．2 木材本构关系在有限元软件ABAQUS中的实现方法

2．3 高温下木材和钢材的热工性能

2．3．1 高温下木材的热工性能

2．3．2 高温下钢材的热工性能

2．4 高温下木材和钢材的力学性能

2．4．1 高温下木材的力学性能

2．4．2 高温下钢材的力学性能

2．5 算例验证：常温和高温下的钢-木螺栓连接轴心受拉木构件试验

2．5．1 试验介绍

2．5．2 常温下静载试验有限元模拟

2．5．3 高温下耐火极限试验有限元模拟

2．6 本章小结

第三章 钢-木螺栓连接T型节点耐火极限有限元分析

3．1 试件设计

3．2 温度场有限元模拟

3．2．1 模型建立与网格划分

3．2．2 材料参数设置

3．2．3 边界条件和接触设置

3．2．4 温度场计算结果

3．3 结构场有限元模拟

3．3．1 模型建立与网格划分

3．3．2 材料参数设置

3．3．3 边界条件和接触设置

3．3．4 结构场计算结果

3．4 本章小结

第四章 钢-木螺栓连接木结构框架耐火极限试验研究

4．1 胶合木材料性能试验

4．1．1 密度和含水率

4．1．2 顺纹抗拉强度

4．1．3 抗弯强度

4．1．4 抗压强度

4．1．5 顺纹抗剪强度

4．1．6 顺纹抗压弹性模量

4．2 试验设计

4．2．1 试件设计

4．2．2 试验准备

4．3 纯框架极限承载力试验(CF-1)

4．3．1 加载方法

4．3．2 量测方案

4．3．3 试验现象与分析

4．4 纯框架耐火极限试验(CF-2、CF-3)

4．4．1 加载方法

4．4．2 量测方案

4．4．3 试验现象与分析

4．5 带隅撑框架耐火极限试验(BF-1)

4．5．1 加载方法

4．5．2 量测方案

4．5．3 试验现象与分析

4．6 耐火极限试验结果对比分析

4．6．1 耐火极限

4．6．2 破坏过程

4．6．3 炭化情况

4．7 本章小结

第五章 钢-木螺栓连接木结构框架耐火极限有限元分析

5．1 有限元模型概述

5．1．1 模型建立与网格划分

5．1．2 材料参数设置

5．1．3 边界条件与接触设置

5．2 极限承载力试验有限元计算结果(CF-1)

5．2．1 荷载-位移曲线

5．2．2 破坏模式

5．2．3 应力分布

5．2．4 考虑初始缺陷的有限元修正方法

5．3 耐火极限试验有限元计算结果(CF-2、CF-3、BF-1)

5．3．1 温度场分布

5．3．2 荷载-位移曲线

5．3．3 破坏模式

5．3．4 木材应力重分布

5．4 本章小结

第六章 木结构框架抗火设计方法

6．1 木结构框架抗火设计流程

6．1．1 抗火设计基本假定

6．1．2 抗火设计流程

6．2 火灾下构件与螺栓连接的承载力计算方法

6．2．1 木结构防火设计依据

6．2．2 火灾下构件的承载力计算

6．2．3 火灾下螺栓连接的承载力计算

6．2．4 火灾下螺栓连接承载力算例

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢