Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

技术摘要：交叉层积材（CLT）在高温下的计算分析

问题陈述
由于其可持续性、尺寸稳定性及预制化优势，交叉层积材（CLT）在建筑领域正经历着指数级增长。然而，由于缺乏对其在火灾条件下热机械行为的全面理解，阻碍了其广泛应用。虽然木材自然会形成一层保护性的炭化层以绝热内部核心，但 CLT 的性能较为复杂，因为它具有正交分层结构、粘合剂特性，并使用了金属连接件（螺钉、钉子），这些连接件可能起到热桥的作用。当暴露于高温时，金属连接件会失去抗力，从而可能危及整个结构系统。目前的设计标准（如 Eurocode 5）提供了碳化计算方法，但在关于不同层厚度、传热与连接完整性之间相互作用的验证方面仍需进一步研究。

研究方法
本研究采用 Ansys 软件进行计算模拟，以分析 CLT Floor-to-Floor 面板在火灾暴露下的热机械行为。研究利用有限元法（FEM）进行了以下参数设置：

• 试件： 三种面板配置（P1、P2、P3），分别为 3 层、5 层和 7 层。总厚度分别为 10 cm、16 cm 和 22 cm。面板模型采用松属（Pinus spp.，强度等级 C24）及聚氨酯基粘合剂建模。
• 几何形状与加载： 面板尺寸为 40x60 cm。施加了均匀分布载荷（计入自重和偶然载荷），该载荷随面板厚度略有变化（6.19 至 6.86 kN/m²）。
• 连接件： 使用 HBS ø 10TX80 螺钉，间距为 10 cm，并假设钢材与木材之间存在粘结接触，以模拟机械相互作用和热传递。
• 火灾暴露： 模拟遵循 ISO 834-1 标准温度-时间曲线。面板暴露在 200°C 至 1200°C 的温度范围内，持续时间为 60 分钟（3600 秒）。
• 分析阶段： 执行了两阶段顺序分析：首先是确定温度分布的瞬态热分析；其次是结合所得温度场评估位移和应力的机械分析。
• 监测： 在面板厚度方向上定义了九个节点点（外部、内部和中心），以追踪温度梯度和热渗透。

关键结果

• 热渗透与碳化： 随着温度升高，观察到热量向横截面内部传递。3 层面板（P1）表现出显著的热渗透，其内部温度在 45 分钟时接近碳化阈值（约 300°C）。相比之下，5 层（P2）和 7 层（P3）面板的热演变有限；炭化的外层有效地绝热了内部核心，使内部温度保持在显著较低的水平（例如，即使在 1200°C 的外部暴露下，P3 的内部点仍低于 70°C）。
• 连接件温度： 金属螺钉充当了热桥，但周围层的数量显著影响了其温度。在 P1 中，螺钉温度最大达到 162.3°C。在 P2 和 P3 中，最大螺钉温度分别为 126.3°C 和 175.9°C（注：P3 的最高值出现在最靠近火源的末端，尽管文中指出 P1 通常具有较高的内部干扰）。至关重要的是，在所有案例中，螺钉温度均低于通常被视为维持连接件性能极限的 200°C 阈值，尽管研究指出间接热效应仍可能影响机械能力。
• 位移： 在火灾诱导载荷下，所有面板均表现出随时间变化的线性位移增长。P1（3 层）表现出最高的挠度，比 P2 多 6.3%，比 P3 多 8.2%。P1 的最大垂直位移为 6.15x10⁻¹ mm，而 P3 的移动最小，为 5.33x10⁻¹ mm。
• 螺钉运动： 由于固定支撑条件的限制，螺钉的水平和垂直位移极小。最大水平变化量在 10⁻² mm 量级。由于弯曲应力，垂直位移表现为外侧螺钉的“拔出”效应和内侧螺钉的向内运动，其中 P1 的变形最大。

意义与结论
研究结论认为，增加 CLT 面板的厚度和层数能显著提高其在火灾条件下的热机械性能。较厚的配置（5 层和 7 层）提供了卓越的绝热效果，延迟了热量向核心的传递，并保护了金属连接件免于达到可能损害结构完整性的临界温度。

研究验证了虽然 CLT 面板会因碳化发生截面削减，但多层结构比薄层配置能更好地保持结构稳定性。研究结果表明，较厚的 CLT 组件在火灾暴露期间能减少木材刚度和强度的退化，并延迟连接区域失效的发生。然而，作者强调，热响应仍高度依赖于火灾暴露的强度和持续时间。该研究强化了计算模拟在预测这些行为方面的效用，提供的数据与有关炭化层绝热性能及增加面板厚度保护作用的实验观察结果相一致。