一种轻型木结构墙体抗火设计方法

摘要

本发明涉及一种轻型木结构墙体抗火设计方法，属于轻型木结构墙体设计技术领域，通过数值模拟和理论计算相结合并考虑木材温度依赖性的抗火设计方法。该方法，首先，根据防火构造措施，设置木结构墙体石膏板、骨柱和岩棉的厚度和尺寸，在有限元分析软件中建立二维模型；其次，在有限元分析软件中设置相应参数，确定初始条件和边界条件，并设置火灾曲线，确定受火时间，确定墙体最终的温度场分布；然后，根据骨柱的温度场分布，采用阶梯化的模型将骨柱划分为四层，并确定相应层的强度折减系数；接着，根据墙体各截面承受的应力进行火灾后承载力极限状态验算；最后，判断并调整防水措施，直至承载力合格。

说明书

技术领域

本发明涉及轻型木结构墙体设计技术领域，特别涉及一种轻型木结构墙体抗火设计方法。

背景技术

轻型木结构体系是目前应用比较广泛的结构体系，它通过主要结构构件(骨柱)和次要结构构件(覆面板)组成的框架来抵抗荷载作用。轻型木结构具有施工便捷、保温节能、抗震性能优异等特点。近几年，得益于国家对木结构的推广以及装配式建筑的迅速发展，轻型木结构在我国建筑中的比重越来越高。

由于轻型木结构构件的尺寸较小，而木材本生也具有可燃性，所以轻型木结构的防火性能主要取决于墙体、楼盖和屋盖等整体构件的耐火性能。墙体主要是由骨柱组成的框架和覆面板组通过钉连接形成，其竖向的力学性能主要是由墙体内部的骨柱提供，防火性能主要依靠覆在墙体两侧的石膏板、水泥纤维板等材料。在遭遇火灾时，石膏板通过其内部的结晶水蒸发吸收热量而延缓骨柱燃烧。因此，石膏板的层数、厚度对轻型木结构墙体的耐火性能其决定性作用。

由于木材具有可燃性，因此关于木结构的防火设计有着严格的要求。我国木结构设计规范(GB 55-217)和建筑设计防火规范(GB 516-214)虽然对木结构的防火做了相关规定，但是关于轻型木结构部分是基于试验的构造方法来确定耐火性能，并没有给出相关的设计理论依据，而且足尺抗火试验的耗费巨大，且有一定的局限性。欧洲规范EN 1995-1-2对轻型木结构设计采用的是基于木材炭化速率的截面折减法，而没有考虑到木材在不同温度下的强度折减。轻型木结构墙体在遭受火灾时，随着木材炭化、截面减小、强度降低，骨柱的中性轴逐渐由形心位置向内侧偏移，使骨柱的受力状态由轴压转变为偏压，从而发生破坏。

因此，针对轻型木结构墙体有一套合适的防火设计方法至关重要。

发明内容

针对现有研究技术的缺陷，本发明提供一种轻型木结构墙体抗火的设计方法，轻型木结构墙体在高温环境下，骨柱的温度场随其厚度呈非线性变化，强度也在发生折减，考虑到直接计算比较复杂，本发明在保证精确的条件下提供一种简化的设计方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种轻型木结构墙体抗火设计方法，包括如下步骤：

步骤S1、根据防火构造规范要求，设置相应厚度、层数的石膏板，确定骨柱尺寸以及岩棉厚度，在有限元分析软件中建立木结构墙体的二维简化模型；

步骤S2、在有限元软件中为材料设置导热系数、比热容和密度，确定初始条件和边界条件，并设置火灾曲线，根据规范或其他要求的耐火极限输入受火时间，划分网格，确认墙体最终的温度场分布；

步骤S3、根据骨柱的温度场分布，采用阶梯化的模型将骨柱划分为四层：

常温层，20-100℃层、100-300℃层以及炭化层，骨柱在相应层的强度折减系数为：

步骤S4、根据墙体各截面所承受的应力进行火灾后承载力极限状态验算；

步骤S5、根据规范及设计要求，判断承载力是否合格，如果合格，则设计完成；如果不合格，则返回所述步骤S1，增加石膏板的厚度或层数、骨柱尺寸，继续验算，直至承载力合格。

进一步地，所述步骤S2中，标准火灾曲线为ISO834国际标准火灾升温曲线。

进一步地，所述步骤S2中初始条件是指墙体在受火之前所满足的状态条件，即受火侧的温度为环境温度：

T(x，y，t＝0)＝T

进一步地，所述步骤S2中边界条件是指墙体边界和外界进行热量交换的条件，包括热对流和热辐射，墙体的边界条件只存在受火侧和背火侧：

式中：q为热通量，单位为W·m

进一步地，所述步骤S4中，截面的中性轴可能位于不同层的木材上，其位置根据具体的温度场分布而确定，中性轴高度根据静力学平衡条件求得：

进一步地，由于骨柱在火灾下发生炭化，截面尺寸减小，受力状态由轴心受压变成偏心受压，其剩余承载力依据公式为：

由于截面分成不同的温度层，骨柱可能在不同的温度层边界发生破坏，因此火灾后墙体的剩余承载力为：

式中，A

与现有技术相比，本发明有益的技术效果在于：

本发明提供的轻型木结构墙体抗火设计方法，首先，根据防火构造措施，设置木结构墙体石膏板、骨柱和岩棉的厚度和尺寸，在有限元分析软件中建立二维模型；其次，在有限元分析软件中设置相应参数，确定初始条件和边界条件，并设置火灾曲线，确定受火时间，确定墙体最终的温度场分布；然后，根据骨柱的温度场分布，采用阶梯化的模型将骨柱划分为四层，并确定相应层的强度折减系数；接着，根据墙体各截面承受的应力进行火灾后承载力极限状态验算；最后，判断并调整防水措施，直至承载力合格。考虑到木材强度在高温下的折减，本发明应用标准升温曲线模拟火灾发展、木结构墙体内部传热、温度场分布及结构响应，实现了木结构墙体在受火过程中强度损失的快速分析，基于骨柱剩余承载力，提供了一种轻型木结构墙体抗火设计方法。本方法能够科学、精确、有效、低成本地确定木结构墙体在火灾下的剩余承载力，节省了足尺抗火以及力学试验所需要高成本，提高了分析效率，填补了轻型木结构墙体抗火设计的空缺。

附图说明

图1为本发明一实施例中轻型木结构墙体抗火设计方法中简化后温度场一维分布图；

图2为本发明一实施例中轻型木结构墙体抗火设计方法中一层12mm厚度耐火石膏板温度场分布图；

图3为本发明一实施例中轻型木结构墙体抗火设计方法中Abaqus温度场转变为简化温度场(一层)的示意图；

图4为本发明一实施例中轻型木结构墙体抗火设计方法中两层12mm厚度耐火石膏板温度场分布图；

图5为本发明一实施例中轻型木结构墙体抗火设计方法中Abaqus温度场转变为简化温度场(两层)的示意图；

图6为本发明一实施例中轻型木结构墙体抗火设计方法的流程图。

图中：

1为炭化层；2为100-300℃层；3为20-100℃层；4为常温层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的轻型木结构墙体抗火设计方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

下面结合图1至图6详细说明本发明的轻型木结构墙体抗火设计方法。

实施例一

请参考图1至图6，一种轻型木结构墙体抗火设计方法，包括如下步骤：

规格材墙骨柱组成的轻木承重墙体，墙骨柱间距为400mm，墙骨柱长度为3m。楼面恒荷载为0.5kN/m

设计步骤如下：

步骤S1，预先估算覆面板层数、厚度、岩棉厚度以及骨柱尺寸：覆面板采用一层12mm厚的耐火石膏板，骨柱尺寸取40mm×90mm，空腔中填充岩面，岩棉厚度取90mm。根据材料尺寸，有限元分析软件可以选择ABAQUS或者ANSYS。在本实施例中，在Abaqus的Part模块中建立墙体的简化二维模型。

步骤S2，在有限元软件中为材料设置相应的参数(即：导热系数、比热容和密度)，确定初始条件和边界条件，并设置火灾曲线，根据规范或其他要求的耐火极限输入受火时间，划分网格，确认墙体最终的温度场分布：其中，标准火灾曲线为ISO 834国际标准火灾升温曲线。初始条件是指墙体在受火之前所满足的状态条件，即受火侧的温度为环境温度根据公式四确定：

T(x，y，t＝0)＝T

边界条件是指墙体边界和外界进行热量交换的条件，主要包括热对流和热辐射，墙体的边界条件只存在受火侧和背火侧，根据公式五确定：

式中：q为热通量，单位为W·m

表1边界条件系数表

查找相应规范得到各材料所需要的参数，各材料参数为：SPF规格材常温下密度为490kg/m

表2木材各参数数值

表3石膏板各参数数值

表4岩棉的导热系数

步骤S3，将步骤S2中得到的温度场采用阶梯化的模型将骨柱划分为四层(常温层4，20-100℃层3、100-300℃层2以及炭化层1)，如图3所示，由于骨柱温度普遍高于20℃，因此不存在常温层。

步骤S4，进行木结构墙体的剩余承载力验算，

①恒荷载和活荷载组合设计值：

恒荷载设计值：

活荷载设计值：

恒荷载和活荷载组合设计值：N＝G+Q＝0.48+2.4＝2.88kN

②受火1h后剩余承载力：

受火截面的中性轴，根据公式六

骨柱各各截面参数(如表5所示)：

表5骨柱各截面参数

根据公式六、公式七

1截面处：F

2截面处：

3截面处：

步骤S5，剩余承载力F＝max(F

步骤S1，覆面板采用两层12mm厚的耐火石膏板，骨柱尺寸取40mm×90mm，空腔中填充岩面，岩棉厚度取90mm。根据材料尺寸，在Abaqus中建立墙体的简化二维模型。

步骤S2，在Abaqus中进行参数设置并提交计算，得出骨柱截面的温度场分布，如图4所示。

步骤S3，将步骤S2中得到的温度场采用阶梯化的模型将骨柱划分为四层(常温层，20-100℃层、100-300℃层以及炭化层)，如图5所示，由于骨柱温度普遍高于20℃，因此不存在常温层。

步骤S4，进行墙体的剩余承载力验算，受火截面的中性轴，根据公式六得：

骨柱各各截面参数(如表6所示)：

表6骨柱各截面参数

计算剩余承载力：

1截面处：F

2截面处：

3截面处：

步骤S5，剩余承载力F＝max(F

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。