正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限计算方法与流程

正交胶合木
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混凝土组合楼板耐火极限计算方法
技术领域
1.本发明涉及建筑结构的耐火极限计算方法，特别涉及正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限的计算方法。


背景技术：

2.火灾是威胁公众和社会发展的主要灾害之一，会对国民经济和人类造成巨大的损失。木材是可燃性材料，木结构需进行科学的防火设计才能确保木结构的防火安全性能。正交胶合木—混凝土组合楼板的耐火极限是组合楼板防火设计的重要参数。正交胶合木板材是一种由3至9层实木锯材或结构复合板材正交组坯，采用结构胶黏剂压制而成的矩形、直线、平面板材形式的工程木板材产品，正交胶合木板材由于相邻两层木纹交错布置，整体上两个方向的强度和刚度相近，有效弥补了木材顺纹和横纹受力性能差异大的缺陷，已广泛应用于楼板和墙板。
3.然而，正交胶合木板承载机理较复杂，横纹方向的层板可能会发生滚剪破坏，需要考虑不同层板之间的滑移影响，计算受弯承载力时仅考虑顺纹方向的层板的作用，横纹方向的层板作为顺纹方向层板的连接。受火后胶合木层板会发生炭化剥落，横纹方向的胶合木层板对上一层顺纹方向层板的炭化起保护作用。正交胶合木板与混凝土板通过剪力连接形成组合楼板后，承载机理更加复杂，目前，尚无考虑正交胶合木板与混凝土板共同作用的组合楼板耐火极限的计算方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述缺陷和不足，本发明旨在提出一种科学、准确、有效的正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限的计算方法。该计算方法能够应用于正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限的计算，为组合楼板的防火设计奠定理论基础。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限计算方法，其包括以下步骤：
7.步骤s1：根据组合楼板荷载情况确定火灾下最不利荷载组合效应设计值；
8.步骤s2：假设楼板的耐火极限为t，确定受火时间为t时刻正交胶合木板的炭化深度和混凝土板的有效厚度；
9.步骤s3：计算受火时间为t时刻正交胶合木板与混凝土板之间剪力连接的刚度；
10.步骤s4：计算受火时间为t时刻正交胶合木—混凝土组合楼板的受弯承载力设计值；
11.步骤s5：验算受火时间为t时刻正交胶合木—混凝土组合楼板的受剪承载力设计值；
12.步骤s6：比较组合楼板的受弯或受剪承载能力设计值与火灾下最不利荷载组合效应设计值的大小，若组合楼板的承载能力设计值等于火灾下最不利荷载组合效应设计值，则确定组合楼板的耐火极限为t；若组合楼板的承载能力设计值大于火灾下最不利荷载组
合效应设计值，则将组合楼板的耐火极限取为t 0.01，并跳转至步骤s2。所述步骤s1包括：
13.(a)计算时应考虑火灾时结构上可能同时出现的荷载(作用)；
14.(b)根据荷载的偶然组合，计算组合楼板的火灾下最不利荷载组合效应设计值。
15.所述步骤s2包括：
16.(a)根据木材的炭化速度、组合楼板的受火方式确定受火时间为t时刻正交胶合木板的炭化深度，然后确定正交胶合木板受火后的剩余截面尺寸，其中炭化深度确定时应考虑炭化层剥落的影响。正交胶合木的炭化深度为：
[0017][0018][0019][0020]
式中，m为发生炭化剥落的总层板层数，取使式(3)成立的最大数值，并向下取整数，h
g,i
为第i层层板厚度，t
g,i
为第i层层板完全炭化的时间，βn为名义炭化速度，βn为木材燃烧1.00h的名义线性炭化速率。
[0021]
(b)混凝土板的有效厚度可根据500℃等温线确定。
[0022]
所述步骤s3中应根据剪力连接的类型选取不同的计算公式或试验值确定剪力连接的刚度；剪力连接的刚度计算应考虑火灾下木材和混凝土高温对材料性能的影响，该过程为现有技术。
[0023]
所述步骤s4包括：
[0024]
(a)组合楼板的受弯承载力应按正交胶合木板剩余截面和混凝土板有效厚度组成的截面进行计算；组合楼板的受弯承载力按γ-法进行计算，首先计算组合楼板的有效抗弯刚度：
[0025][0026][0027]
[0028][0029]
式中，(ei)
ef
为组合楼板的有效抗弯刚度，n为顺纹方向所有正交胶合木层板和混凝土板的层数之和，不包括横纹方向层板，混凝土板按第1层顺纹方向的层板考虑，eiii为第i层层板的抗弯刚度，γi为第i层层板考虑组合效应的系数，混凝土层的组合效应系数按式(5)进行计算，正交胶合木层板的组合效应系数按式(6)进行计算，正交胶合木中间层板的组合效应系数取1，e
iai
为第i层层板的轴向刚度，ai为第i层层板形心与组合截面的形心之间的距离折算值，k1为按步骤s3计算得到的剪力连接的刚度，s1为剪力连接布置的间距，gr为正交胶合木层板的滚剪模量，为第i层层板靠中间层板侧横纹方向层板的厚度，l为组合楼板的跨度，b为顺纹方向层板的宽度，yi为第i层层板形心与中间层板的形心之间的距离。
[0030]
中间层板从正交胶合木板的顺纹方向层板中选取。中间层板的选取规则为：对于三层正交胶合木板，最上层的顺纹方向层板作为中间层板；对于大于三层的正交胶合木板，将正交胶合木板几何中心上方最邻近的顺纹方向层板作为中间层板。例如，对于七层的正交胶合木板，将第二层顺纹层板作为中间层板。
[0031]
(b)计算受火时间为t时刻组合楼板的受弯承载力设计值：
[0032][0033]
式中，f为木材的强度，受拉侧取抗拉强度，受压侧取抗压强度。
[0034]
所述步骤s5包括：
[0035]
(a)计算受火时间为t时刻组合楼板剪力连接的受剪承载力设计值：
[0036][0037]
式中，fi为正交胶合木与混凝土层之间的剪力连接的极限荷载。
[0038]
(b)计算受火时间为t时刻组合楼板正交胶合木层板的受剪承载力设计值：
[0039][0040]
式中，qi为第i层层板以上的截面面积对中性轴的面积矩，fv为木材的抗剪强度，对于横纹方向层板，fv取滚剪强度来考虑滚剪破坏的影响。i为层板的编号，i取2～n之间的数值时表示顺纹方向层板，i取n 1～2n-2之间的数值时表示横纹方向层板；ei为层板i的弹性模量。
[0041]
(c)计算受火时间为t时刻组合楼板的受剪承载力设计值：
[0042]
v(t)＝min(vs(t),vc(t))
ꢀꢀꢀ
式(10)
[0043]
所述正交胶合木—混凝土组合楼板的承载能力设计值应同时考虑受弯承载力设计值和受剪承载力设计值。
[0044]
本发明具备以下优点：
[0045]
1)本发明采用γ-法进行正交胶合木—混凝土组合楼板受火后承载力的简化计算，计算效率高；
[0046]
2)本发明考虑炭化层剥落对正交胶合木层板炭化性能的影响，考虑正交胶合木层板与混凝土组合楼板的组合作用，计算精度高。
[0047]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0048]
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0049]
图1为本发明实施例一种正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限计算方法的流程示意图。
[0050]
图2为本发明实施例一种正交胶合木—混凝土组合楼板耐火极限计算方法中的一个正交胶合木—混凝土组合楼板示意图。
[0051]
1——混凝土板(第1层层板)，2——顺纹方向正交胶合木层板(第2层层板)，3——顺纹方向正交胶合木层板(第3层层板),4——顺纹方向正交胶合木层板(第4层层板),5——横纹方向正交胶合木层板，6——横纹方向正交胶合木层板，7——自攻螺钉
具体实施方式
[0052]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以图2所示的正交胶合木—混凝土组合楼板为例。某办公建筑采用正交胶合木—混凝土组合楼板，正交胶合木层板为5层，顺纹方向层板厚度为34mm，横纹方向层板厚度为30mm，混凝土板厚度为60mm，组合楼板的宽度为1000mm，跨度为6000mm，木材的弹性模量为12500mpa，滚剪模量为50mpa，抗拉强度为17.9mpa，抗压强度为23.2mpa，抗剪强度为2.2mpa，滚剪强度为2.0mpa。剪力连接的形式为双排自攻螺钉，间距为200mm，剪力连接的刚度为100kn/mm，剪力连接的极限荷载为40kn。混凝土弹性模量为30000mpa。组合楼板底面受火。
[0053]
根据图1进行操作，其耐火极限的计算步骤如下：
[0054]
步骤s1：根据组合楼板荷载情况确定火灾下最不利荷载组合效应设计值。计算时应考虑火灾时结构上可能同时出现的荷载(作用)，包括组合楼板自重、楼面活荷载等。
[0055]
组合楼板和装修等的自重qg＝3.4kn/m2，楼面活荷载qq＝2.0kn/m2[0056]
根据偶然组合，计算组合楼板的火灾下最不利荷载组合效应设计值q＝4.84kn/m2，m＝21.78kn.m。
[0057]
步骤s2：假设楼板的耐火极限为t，确定受火时间为t时刻正交胶合木板的炭化深度和混凝土板的有效厚度。根据木材的炭化速度、组合楼板的受火方式确定受火时间为t时刻正交胶合木板的炭化深度，然后确定正交胶合木板受火后的剩余截面尺寸，其中炭化深度确定时应考虑炭化层剥落的影响。正交胶合木的炭化深度为：
[0058]
βn＝38mm/h，h
g,1
＝34mm，t
g,1
＝0.87h，h
g,2
＝30mm，t
g,2
＝0.75h。
[0059][0060][0061]
混凝土板的有效厚度根据500℃等温线确定。
[0062]
步骤s3：计算受火时间为t时刻正交胶合木板与混凝土板之间剪力连接的刚度；根据剪力连接的类型选取不同的计算公式或试验值确定剪力连接的刚度为100kn/mm。剪力连接的刚度计算时考虑火灾下木材和混凝土高温对材料性能的影响。
[0063]
步骤s4：计算受火时间为t时刻正交胶合木—混凝土组合楼板的受弯承载力设计值；
[0064]
(a)组合楼板的受弯承载力应按正交胶合木板剩余截面和混凝土板有效厚度组成的截面进行计算；
[0065]
(b)组合楼板的受弯承载力按γ-法进行计算，首先计算组合楼板的有效抗弯刚度：
[0066][0067][0068]
γ3＝1，γ4＝γ2[0069]
a1＝y
1-a3，a2＝y
2-a3，a4＝y4 a3[0070][0071]
(c)计算受火时间为t时刻组合楼板的受弯承载力设计值：
[0072][0073]
步骤s5：验算受火时间为t时刻正交胶合木—混凝土组合楼板的受剪承载力设计值；
[0074]
(a)计算受火时间为t时刻组合楼板剪力连接的受剪承载力设计值：
[0075][0076]
(b)计算受火时间为t时刻组合楼板正交胶合木层板的受剪承载力设计值：
[0077][0078]
(c)计算受火时间为t时刻组合楼板的受剪承载力设计值：
[0079]
v(t)＝min(vs(t),vc(t))
[0080]
步骤s6：比较组合楼板的受弯或受剪承载能力设计值与火灾下最不利荷载组合效应设计值是否相等，若相等，则确定组合楼板的耐火极限为t；若不相等，则将组合楼板的耐火极限取为t 0.01；
[0081]
步骤s7：重复步骤s2～s6直至组合楼板的承载能力设计值与火灾下最不利荷载组合效应设计值相等。
[0082]
经过迭代计算，得到该组合楼板的耐火极限为1.83h。
[0083]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。