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随着社会发展和人民生活水平的不断提高，绿色环保、可工业化生产的现代木结构建筑逐渐受到人们的青睐。其中正交胶合木（CLT）结构是目前主流的多高层木结构体系。但由于木材可燃，木结构的抗火性能始终是人们关注的焦点问题之一。当CLT木结构建筑发生火灾时，其火灾特性及发展规律与普通室内自然火灾有显著区别，传统基于标准火灾的抗火设计方法已不再完全适用。目前，国内外对木结构抗火设计的研究已经取得了一定的进展，但总体仍处于初级阶段，有必要对CLT结构及构件的抗火设计方法开展进一步深入研究。本文采用理论分析、数值模拟与火灾试验相结合的研究方法，对室内自然火灾作用下CLT木结构抗火性能开展研究。主要研究内容及成果如下：
(1)对CLT结构室内自然火灾的特征及发展规律进行了研究和探讨，通过总结国内外已有研究成果，提出分析内表面可燃的CLT结构室内自然火灾动态时需考虑的关键特性。并以两区域火灾模型为基础，建立了考虑木材可燃及炭化层脱落的CLT结构室内自然火灾温度场计算模型。以此对参考文献中不同尺寸规模的CLT房间自然火灾试验进行了建模分析，通过与试验温度分布、热释放速率等结果进行对比分析，验证并探讨了火灾模型的适用性与局限性。
(2)设计建造了内部进深1.8m，开间1.2m，净高1.5m的CLT房间，以木垛作为火源，开展了四次室内自然火灾试验。其中一个CLT房间内表面完全覆盖防火材料作为对比试验，通过改变其余CLT房间内表面木材的受火面积，研究了木结构内表面可燃对火灾荷载的贡献，CLT炭化层脱落对火灾发展及炭化速度的影响以及模型内部空间温度场分布情况。试验表明炭化层脱落时间与区域存在随机性，导致火灾过程存在显著差异，分别出现了自熄灭、二次轰燃、全程持续全盛阶段等不同的火灾发展模式。三次内表面可燃的试验轰燃阶段的整体质量损失率比内表面全覆盖的对比试验增大了7.54-44.53%，但各试验火灾全过程最高空气温度无显著差异。
(3)通过大型水平火灾炉分别开展了标准火灾升温曲线及自然火灾温度曲线用下的足尺CLT楼板耐火极限试验，研究了不同火灾曲线、不同层板组成、不同的持荷比的CLT楼板试验现象、耐火极限时间、内部温度场分布、炭化情况等特性。试验结果表明，火灾曲线升温速率及火灾最高温度对CLT楼板的炭化速率影响显著，自然火灾升温阶段的炭化速率远高于标准火灾作用下，但降温阶段的炭化速率远低于自然火灾升温阶段及同受火时间标准火灾作用下。试验火灾温度曲线、持荷比、层板组成等均对CLT楼板的耐火极限影响显著。多数试验中5层CLT楼板的抗火性能优于3层CLT楼板，原因在于5层CLT受弯构件存在中间的顺纹层板，受火面首层顺纹层板退出工作后，剩余截面仍能提供超过40%的抗弯承载力，且第二层横纹层板延缓了第三层顺纹层板受高温影响的时间，延长了耐火极限。
(4)通过Abaqus软件平台建立了考虑木材正交各向异性及胶粘剂力学性能的CLT材料有限元精细化数值分析模型。其中通过编写VUMAT用户自定义材料子程序实现了木材的本构模型，考虑了Hashin破坏准则、基于损伤变量的连续体损伤力学模型、高温下材料性能的劣化机理等特性，实现了木材受拉、受剪时准脆性破坏及受压时延性破坏的损伤模式。胶粘剂部分采用Cohesive单元实现了双线性牵引-分离的损伤模式。
对CLT楼板耐火极限试验建立有限元模型开展了计算分析。首先建立温度场传热模型计算了CLT楼板火灾全过程不同深度温度分布、炭化深度、炭化速率等，其次建立顺序热-力间接耦合模型，得到跨中位移-时间曲线、耐火极限时间。计算结果表明，有限元温度场传热模型及热-力耦合模型可较准确地计算试验炭化速率及耐火极限，其中误差是由于炭化层脱落存在一定随机性。
(5)基于有效剩余截面法的思路，建立了适用于计算CLT楼板不同火灾作用下抗弯承载力的理论计算模型，包括常温下承载力、炭化速率、零强度层厚度的计算方法。通过温度场传热模型建立了考虑CLT炭化层脱落的炭化速率计算方法，并在此基础上得出火灾全过程CLT楼板零强度层厚度时变规律，其中考虑了火灾过程中CLT中性轴偏移过程及拉、压不同的弹性模量折减系数。对CLT楼板耐火极限试验建立理论计算模型，通过与EN1995-1-2、NDS2018建议的计算方法进行对比，验证了本文理论计算方法的有效性。
理论计算结果表明由于CLT楼板交错层压的特性，其零强度层厚度在首层顺纹层板失效后存在突变，不能直接应用现有规范建议的原适用于实木、胶合木构件的恒定零强度层厚度。计算结果同时表明自然火灾升温阶段零强度层厚度普遍小于标准火灾作用下，但降温阶段中CLT楼板的炭化深度及剩余截面高度停止变化后，由于高温木材持续向内部传热，使得有效剩余截面不停缩减，最终导致CLT楼板在降温阶段发生破坏，达到耐火极限。
(1)对CLT结构室内自然火灾的特征及发展规律进行了研究和探讨，通过总结国内外已有研究成果，提出分析内表面可燃的CLT结构室内自然火灾动态时需考虑的关键特性。并以两区域火灾模型为基础，建立了考虑木材可燃及炭化层脱落的CLT结构室内自然火灾温度场计算模型。以此对参考文献中不同尺寸规模的CLT房间自然火灾试验进行了建模分析，通过与试验温度分布、热释放速率等结果进行对比分析，验证并探讨了火灾模型的适用性与局限性。
(2)设计建造了内部进深1.8m，开间1.2m，净高1.5m的CLT房间，以木垛作为火源，开展了四次室内自然火灾试验。其中一个CLT房间内表面完全覆盖防火材料作为对比试验，通过改变其余CLT房间内表面木材的受火面积，研究了木结构内表面可燃对火灾荷载的贡献，CLT炭化层脱落对火灾发展及炭化速度的影响以及模型内部空间温度场分布情况。试验表明炭化层脱落时间与区域存在随机性，导致火灾过程存在显著差异，分别出现了自熄灭、二次轰燃、全程持续全盛阶段等不同的火灾发展模式。三次内表面可燃的试验轰燃阶段的整体质量损失率比内表面全覆盖的对比试验增大了7.54-44.53%，但各试验火灾全过程最高空气温度无显著差异。
(3)通过大型水平火灾炉分别开展了标准火灾升温曲线及自然火灾温度曲线用下的足尺CLT楼板耐火极限试验，研究了不同火灾曲线、不同层板组成、不同的持荷比的CLT楼板试验现象、耐火极限时间、内部温度场分布、炭化情况等特性。试验结果表明，火灾曲线升温速率及火灾最高温度对CLT楼板的炭化速率影响显著，自然火灾升温阶段的炭化速率远高于标准火灾作用下，但降温阶段的炭化速率远低于自然火灾升温阶段及同受火时间标准火灾作用下。试验火灾温度曲线、持荷比、层板组成等均对CLT楼板的耐火极限影响显著。多数试验中5层CLT楼板的抗火性能优于3层CLT楼板，原因在于5层CLT受弯构件存在中间的顺纹层板，受火面首层顺纹层板退出工作后，剩余截面仍能提供超过40%的抗弯承载力，且第二层横纹层板延缓了第三层顺纹层板受高温影响的时间，延长了耐火极限。
(4)通过Abaqus软件平台建立了考虑木材正交各向异性及胶粘剂力学性能的CLT材料有限元精细化数值分析模型。其中通过编写VUMAT用户自定义材料子程序实现了木材的本构模型，考虑了Hashin破坏准则、基于损伤变量的连续体损伤力学模型、高温下材料性能的劣化机理等特性，实现了木材受拉、受剪时准脆性破坏及受压时延性破坏的损伤模式。胶粘剂部分采用Cohesive单元实现了双线性牵引-分离的损伤模式。
对CLT楼板耐火极限试验建立有限元模型开展了计算分析。首先建立温度场传热模型计算了CLT楼板火灾全过程不同深度温度分布、炭化深度、炭化速率等，其次建立顺序热-力间接耦合模型，得到跨中位移-时间曲线、耐火极限时间。计算结果表明，有限元温度场传热模型及热-力耦合模型可较准确地计算试验炭化速率及耐火极限，其中误差是由于炭化层脱落存在一定随机性。
(5)基于有效剩余截面法的思路，建立了适用于计算CLT楼板不同火灾作用下抗弯承载力的理论计算模型，包括常温下承载力、炭化速率、零强度层厚度的计算方法。通过温度场传热模型建立了考虑CLT炭化层脱落的炭化速率计算方法，并在此基础上得出火灾全过程CLT楼板零强度层厚度时变规律，其中考虑了火灾过程中CLT中性轴偏移过程及拉、压不同的弹性模量折减系数。对CLT楼板耐火极限试验建立理论计算模型，通过与EN1995-1-2、NDS2018建议的计算方法进行对比，验证了本文理论计算方法的有效性。
理论计算结果表明由于CLT楼板交错层压的特性，其零强度层厚度在首层顺纹层板失效后存在突变，不能直接应用现有规范建议的原适用于实木、胶合木构件的恒定零强度层厚度。计算结果同时表明自然火灾升温阶段零强度层厚度普遍小于标准火灾作用下，但降温阶段中CLT楼板的炭化深度及剩余截面高度停止变化后，由于高温木材持续向内部传热，使得有效剩余截面不停缩减，最终导致CLT楼板在降温阶段发生破坏，达到耐火极限。