自然火灾下正交胶合木结构抗火性能及设计方法研究

To economize on land, it has become a trend to construct timber structure buildings into either multi-story or tall structures. Cross-laminated timber (CLT) is one of the popular timber structures. However, CLT combustibility creates an unavoidable problem of critical importance: fire performance of CLT structures. Chinese-made CLT is aiming to be studied in this research project, which includes theoretical analysis, full-scale structure and typical member fire tests, and numerical simulation. This research seeks to determine the contribution of CLT combustibility to fire intensity and characterize the delamination mechanism of fired CLT under natural fire conditions. The study focuses on: (1) Parametric temperature-time relation inside CLT structures under natural fire conditions while factoring in CLT combustibility; (2) charring rate and fire resistance evaluation methods under natural fire conditions while factoring in CLT delamination; and (3) a whole-process CLT structure failure simulation system while factoring in the interaction between fire development and structure response based on direct coupling between temperature field and structure field in a natural fire. This work constitutes an innovative exploration in the CLT structure fire resistance research field and may give theoretical as well as experimental support to the development in China of CLT structural performance-based fire resistance design methodology, and is thus of both scientific and engineering value.

为节约土地，木结构建筑向多高层发展已成为一种趋势，正交胶合木（CLT）结构是其中主流结构体系之一。由于CLT的可燃性，CLT结构的抗火性能是不容回避的焦点问题。本项目以国产CLT为研究对象，以理论研究、足尺整体结构与典型构件受火试验、数值仿真模拟为手段，以自然火灾场景下CLT可燃性对火灾强度的贡献、CLT受火层板脱落机理为目标，主要研究内容包括：（1）自然火灾下考虑CLT可燃性的CLT结构内部参数化温度-时间变化规律；（2）自然火灾下考虑CLT层板脱落的炭化速率模型和耐火极限计算方法；（3）基于自然火灾下温度场与结构场的直接耦合，考虑火灾发展和结构响应相互作用的CLT结构破坏全过程数值模拟系统。本项目研究将在CLT结构抗火领域做出创新型研究与探索，为我国CLT结构性能化抗火设计方法的发展提供理论和试验支持，具有重要的科学意义和工程应用价值。

为节约土地，木结构建筑向多高层发展已成为一种趋势，正交胶合木（CLT）结构是其中主流结构体系之一。由于CLT的可燃性，CLT结构的抗火性能是不容回避的焦点问题。为真实评价木结构关键部构件及典型节点的抗火性能，必须了解其在火灾作用下的性能劣化水平和灾变机理。针对此问题，本项目通过试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，系统研究了国产正交胶合木房间及墙、板构件和典型连接节点在受火条件下力学性能的退化规律和失效模式，确定了构件耐火极限的主要影响因素，建立了国产CLT墙板及典型连接节点抗火设计方法。具体研究内容为：进行了单层CLT结构自然火灾模拟研究，在两区域火灾模型的基础上，建立了考虑CLT可燃、考虑炭化层脱落的热释放速率模型，并通过与公开文献中试验对比，验证了模型的有效性；进行了单层CLT结构自然火灾试验，观测了CLT房间的破坏历程与特征，获取了其在自然火灾下的温度-时间曲线，提出了自然火灾下CLT房间的炭化速率计算公式；进行了底面受火CLT楼板、单面受火CLT墙体抗火性能研究，对比研究了不同火灾作用、不同防火保护措施等因素对试验现象、耐火极限等的影响；进行了CLT结构典型节点抗火性能研究，通过标准火灾试验，分析比较了不同条件下CLT典型节点的耐火极限、荷载-位移曲线，提出了提升CLT节点耐火极限的技术方法，建立了面向我国规范应用的CLT结构典型节点耐火极限计算方法；进行了自然火灾下CLT结构破坏全过程数值模拟研究，通过集成火灾模拟、结构有限元分析软件，开发了自然火灾下CLT结构模拟系统系统，研究了自然火灾下火灾发展及CLT结构的破坏过程。本项目的研究成果，可为CLT的结构的火灾安全性分析提供技术基础。