胶合木-混凝土组合梁抗火性能及设计方法研究

Among the timber structures, the fire-resistance performance of structures can be improved by using timber-concrete composite beam which is a combination of concrete slab and timber beam by shear connectors. This kind of composite structure can provide a simple, economic and reliable structure system for fire-resistance of multi-storied and high-rise buildings. However, there is no theoretical system of fire resistance or fire design method for timber-concrete composite beams. In this project, the mechanical performance of shear connectors will be analyzed, and calculating formulas will be obtained by experimental study of the screw connection push-out test of glulam-concrete composite beams subjected to fire. Based on the experimental investigation of glulam-concrete composite beams under fire and different load levels, the main influence factors of the fire-resistance performance of composite beams will be analyzed, and the influence of interface slip on fire endurance will also be investigated. Meanwhile, the calculating method of fire-resistance capacity of composite beams subjected to fire will be presented. The proposed research is of great significance for optimizing fire resistant design method and extending the application of timber-concrete composite structures in multi-storied and high-rise buildings.

在木结构建筑中，将木梁和混凝土楼板通过剪力连接件构成木-混凝土组合梁，可大大改善梁的抗火性能，为多高层木结构建筑的抗火提供了一种简洁、经济、可靠的结构体系。但目前尚无完善的木-混凝土组合梁抗火计算理论体系以及设计方法。本项目通过升温条件下胶合木-混凝土组合梁螺钉连接件推出试验的研究，分析升温条件下剪力连接件的受力性能，提出升温条件下螺钉连接件的抗剪承载力计算公式，并导出其在升温条件下的荷载-滑移曲线；在此基础上，通过不同荷载水平下胶合木-混凝土组合梁抗火试验研究，分析影响胶合木-混凝土组合梁抗火性能的主要因素，研究界面滑移对胶合木-混凝土组合梁耐火极限的影响，提出火灾下胶合木-混凝土组合梁抗火承载力的计算方法。本项目对于完善胶合木-混凝土组合梁的抗火设计方法、开启胶合木-混凝土组合结构在我国多高层木结构建筑中的应用，具有重要意义。

因优异的结构性能、振动性能和隔音性能，木-混凝土组合梁被广泛应用于中高层和大跨度木结构建筑中。由于木材的可燃性，火灾是木结构建筑最不利的工作环境之一。此外，随着建筑功能日益完善和人员集中，也造成了起火因素逐渐增多，因此木结构建筑的防火设计成为结构安全设计的重点。本项目深入研究了火灾下胶合木-混凝土组合梁抗剪连接件的受力机理和抗剪性能，以及火灾下胶合木-混凝土组合梁的受力性能和耐火极限。.对58个常温下采用斜向螺钉连接件的胶合木-混凝土组合试件进行了推出试验，分析了混凝土强度、螺钉直径、螺钉嵌入木材长度、嵌入角度和嵌入方式对螺钉连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和抗剪性能的影响。对28个火灾下胶合木-混凝土组合试件进行了推出试验，分析了火灾下斜交螺钉连接件和开槽连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和抗剪性能。通过2根常温下胶合木-混凝土组合梁短期破坏试验和6根胶合木-混凝土组合梁耐火极限试验，研究了荷载比、木模板厚度、抗剪连接件形式和防火石膏板对胶合木-混凝土组合梁抗火性能的影响。.基于试验结果，建立了斜交螺钉连接件和开槽连接件的受力模型，提出了常温以及火灾下连接件抗剪承载力和抗剪刚度的计算方法。基于有限元软件ANSYS，建立了火灾下胶合木-混凝土组合梁的计算模型，通过火灾下组合梁温度场的计算与分析，得到了不同受火时间下混凝土板的平均温度值；研究了混凝土板厚度、混凝土强度、连接件间距和木梁尺寸等因素对组合梁抗火性能的影响。基于常温下胶合木-混凝土组合梁受弯承载力和抗弯刚度的计算方法，分别考虑火灾下高温对木梁、混凝土板和抗剪连接件的影响，提出火灾下胶合木-混凝土组合梁受弯承载力和抗弯刚度计算方法。在研究成果的基础上，结合国内外现行规范，提出了胶合木-混凝土组合梁的抗火设计方法。.本项目的研究成果可为胶合木-混凝土组合梁在我国进一步的研究、工程设计和应用提供参考。