高温后木柱轴压性能试验研究.pdf
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1、 施工技术(中英文)年 月下第 卷 第 期:高温后木柱轴压性能试验研究康 伟,罗卓卓,张继承(中交一航局第四工程有限公司,天津;长江大学城市建设学院,湖北 荆州)摘要 通过 组 根不同截面类型木柱高温后力学性能的对比试验研究,分析不同截面类型、温度、恒温时间等对木柱力学性能的影响规律。研究结果表明,随着处理温度的升高和恒温时间的增加,木柱质量损失均呈递增趋势,其中温度对木柱质量损失的影响显著大于恒温时间。木柱在高温后出现劈裂、劈裂和剪切破坏组合及底部压缩 种新破坏模式,其中底部压缩破坏的试件极限承载力最低。木柱的延性随着处理温度的升高而增大,且方木柱的延性普遍比圆木柱高。高温会降低木柱的极限承
2、载力,温度对木柱极限承载力的影响比恒温时间更明显,最大降幅为 (方木)和 (圆木);高温对圆木柱极限承载力的影响比对方木柱的影响更显著。关键词 木柱;高温;力学性能;承载力;试验中图分类号 文献标识码 文章编号(),(,;,):,:,:;国家自然科学基金:基于应力监测的异形钢管混凝土柱框架核心筒混合结构抗震性能及失效机理研究()作者简介 康 伟,高级工程师,:收稿日期 本文进行落叶松木柱高温后轴向力学性能试验,研究截面类型、温度和恒温时间等对木柱轴向力学性能的影响规律,为合理评价木结构火灾后性能提供科学依据。试验概况 试件设计与制作 本试验共制备了 根高度相同的木质短柱,包 康 伟等:高温后木
3、柱轴压性能试验研究 括 根圆形木柱和 根方形木柱,并将 个试件暴露在高温下。所有试件均根据截面类型、温度和恒温时间参数进行标注,详细信息如表 所示。在试件制作过程中,对木柱端的上、下表面进行抛光,使木柱两端完全平整,这样可避免试压过程中柱端局部受力不均匀。试件制作完成后及时密封保存。表 试验试件参数 截面形状试件编号数量 个温度 恒温时间 方形圆形 试验材料与仪器 试验中所用的木材由我国东北落叶松()原木制成,自然干燥期为一年,考虑到木材的差异性较大,选取了足够的试件进行统计分析。试验用到的仪器包括:力学性能试验使用的万能试验机,极限承载力为 ,如图 所示;自动控制升温的高温炉,如图 所示;其
4、他辅助仪器,如精度为 的电子游标卡尺,精度为 的电子秤等。试件的高温处理过程 试件于高温试验炉内进行加温处理,该试验炉为手动输入程序,自动控制升温,最高温度为,其精度能较好满足试验要求。高温处理完成后对所有试件再次进行称量记录,并准确记录高温处理时间。试件高温处理前后均密封保存。图 试验装置 图 高温炉 高温处理完成后,使用 液压万能试验机对木柱进行压缩试验。为了测量试件在加载过程中的变形情况,在每根方木柱上粘贴 个应变片(),应变片粘贴前需先去除木柱表面的炭化层和高温分解层。在方木柱的中间高度粘贴 个应变片(,);在侧面中间高度靠近边缘位置粘贴 个应变片(,命名为拐角位置),以分别获得纵向和
5、横向应变,如图 所示。对于圆形木柱,在每根圆形木柱中粘贴 个应变片(,),个应变片均位于试件中心,分别用于测量纵向和横向应变。应变片布置细节如图 所示。图 应变片布置 加载装置与加载制度 木柱在 液压万能试验机上进行试验,采用 静态应变测量系统进行数据采集,如图 所示。正式加载前先进行预压以减少系统误差。试验采用连续均匀加载方式,加载速度为 ,当荷载下降至极限荷载的 时试验结束。施工技术(中英文)第 卷 试验结果与分析 质量损失率木 材 质 量 损 失 率 测 定 方 法 以 参 考 木材耐久性能 第 部分:天然耐腐性实验室试验方法为主。试样高温处理后的质量损失率以百分数计算表示,计算公式如下
6、:质量损失率 式中:为试样试验前的全干质量;为试样试验后的全干质量。经过计算整理得到方木和圆木在不同温度、不同恒温时间作用下的质量损失率,如图 所示。由图 可看出,方木在恒温时间相同的情况下,温度为,时,试件的质量损失率变化不明显,此时方木主要为脱水失重,恒温为 的质量损失率分别为 和 ;当温度达到时,质量损失率明显增大,达 ,约为温度为 时的 倍;当温度达到 时,质量损失率达 ,温度高达 时质量损失包括水分蒸发及木材炭化的损失;由图 可看出,圆木在恒温时间相同的情况下,质量损失率变化规律与方木大致相同,当温度达到 时,质量损失率明显增大,达 ,当温度达到 时,质量损失率达 ;总体来说,圆木的
7、质量损失率都比方木大一些。有学者认为当温度 时木材发生了热解反应。木材热解一般在 发生,木材热解分为纤维素热解和木质素分解 个阶段:第 阶段纤维素快速失重,第 阶段主要是木质素缓慢热解。在处理温度相同的情况下,如图 所示,随着恒温时间的延长方木质量损失率也逐渐增大。在处理温度时,恒温时间对方木质量损失率有较明显影响,当处理温度为 时,恒温时间从 增至,方木的质量损失率增加;后,恒温时间对方木质量损失率影响变小,当处理 温 度 为 时,恒 温 时 间 从 增 至,方木的质量损失率增加,为 处理温度的,这是因为大部分质量损失已在短时间内完成。如图 所示,恒温时间对圆木质量损失率的影响与方木一致,在
8、处理温度 时,恒温时间对圆木质量损失率有较明显影响;后,恒温时间对圆木质量损失率影响明显变小。当处理温度为 时,恒温时间从 增至,圆木的质量损失率增加,是温度为 的,图 不同温度、不同恒温时间作用下木材质量损失率柱状图 且圆木的质量损失率均比方木更高一些。综上可见,随着处理温度的升高和恒温时间的增加,木柱的质量损失率均呈递增趋势,其中温度对木柱质量损失的影响显著大于恒温时间,且圆木的质量损失比方木高。破坏形态 根据破坏现象可将破坏模式分为 种类型,即剪切破坏、劈裂破坏、劈裂破坏与剪切破坏组合和底部压缩破坏,如图 所示。试验完成后,记录所有试件的极限承载力和破坏模式,详细信息如表 所示。图 中方
9、木柱为剪切破坏,可看到斜裂缝发生在方木柱中间高度偏上位置,由表 可看到,有 根方木柱为剪切破坏,所有处理温度为 和未经高温处理的方木柱均以剪切破坏失效。由图 可看出,破坏模式为劈裂破坏,裂缝主要为较大的纵向贯穿裂缝,主要出现在方木柱边缘位置,由表 可看到,有 根方木柱为劈裂破坏,且劈裂破坏试件的处理温度比剪切破坏试件的温度高。由图 可看出,破坏模式为劈裂与剪切破坏组合,劈裂裂缝出现在方木柱边缘位置,剪切斜裂缝出现在方木柱中间偏上位置,由表 可看到,只有 根方木柱为劈裂与剪切破坏组合失效。图 中方木柱为底部压缩破坏,压缩破坏表现为底部被压碎,且底部有严重 康 伟等:高温后木柱轴压性能试验研究 图
10、 方木柱破坏模式 表 所有试件试验结果 试件编号()破坏模式常温 剪切 剪切 剪切 剪切 剪切 劈裂与剪切 劈裂 劈裂 劈裂与剪切 劈裂 劈裂 压缩 压缩常温 剪切 剪切 剪切 剪切 剪切 劈裂 劈裂 劈裂 劈裂 劈裂 劈裂 压缩 压缩 注:表示极限荷载,表示极限承载力下降百分率,表示初始刚度,表示屈服位移,表示极限位移,表示延性系数()炭化,由表 可看到,只有 根方木柱为底部压缩破坏,且都是处理温度为 的试件;底部压碎的方木柱极限承载力明显低于其他试件。根据破坏现象可将破坏模式分为 种类型,即剪切破坏、劈裂破坏和底部压缩破坏,比方木柱的类型少 种,如图 所示。图 圆木柱破坏模式 图 中圆木柱
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