CN100587461C - 隧道衬砌构件高温力学性能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，包括火灾热环境模拟子系统、隔热保温子系统、支座及衬砌构件力学边界模拟子系统、加载子系统、测量子系统、数据采集子系统、衬砌构件热边界模拟子系统。本试验系统能够较好的模拟隧道火灾特点(升温速度快、达到的最高温度高)及多种隧道火灾场景；能够对衬砌构件施加多种荷载—温度工况；能够模拟隧道衬砌构件的热边界条件及周围土体、地下水对构件的影响。本试验系统除了可以方便的进行隧道衬砌构件高温时(高温后)的力学性能试验，也可以对其进行常温时的力学性能试验。本试验系统安全可靠，便于操作，故障率低，能够胜任隧道衬砌构件高温时(高温后)力学性能试验的要求。

Description

隧道衬砌构件高温力学性能试验系统

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是一种用于对隧道衬砌构件进行高温力学性能试验的装置。

背景技术

对于隧道衬砌这类地下结构，当研究其构件(管片、接头等)高温时(高温后)的力学性能时，与地上结构相比，有如下几个方面的重要特点和不同：

国内外实际火灾事故和火灾试验表明：隧道火灾升温速度快(最高可达到250℃/min)，达到的最高温度高(最高可达到1350℃)，火灾持续的时间长。为了描述隧道火灾的特点，目前国际上已建立了RWS(荷兰)，HC，RABT(德国)等温度-时间曲线。因此，在进行隧道衬砌构件高温时(高温后)力学性能的试验时，必须要营造出符合实际隧道火灾特点的升温环境(也即模拟这些已经建立的标准曲线)。

相对于地上结构而言，隧道衬砌构件的受火方式为单面受火，同时另一面并非与空气而是与包裹其的岩土体(包括地下水)接触。由于隧道衬砌结构被岩土体包裹，地下水及周围岩土体会明显的影响衬砌构件内部温度的发展变化规律，进而影响其材料物理力学性能的变化。不同的温度-荷载工况会明显的影响隧道衬砌构件高温时(高温后)物理力学性能的变化。

因此，在开展隧道衬砌构件的高温时(高温后)力学性能试验时需要体现上述特点。而从已有的试验装置和方法来看，在进行的试验内容方面，已进行的一些隧道衬砌结构的高温试验，大部分只能够研究隧道衬砌结构的耐火性能，高温下隧道衬砌结构的抗爆裂性能、衬砌结构内的温度分布，火灾对隧道衬砌结构表面的损伤及防护措施。在升温方面，这些试验装置常采用的方法如表1所示。从这些方法看，存在的问题主要是或者升温速度慢、或者达到的最高温度低、或者不能准确的控制温度按照预定的升温曲线升高，均不能很好的反映隧道火灾的特点。在模拟隧道衬砌结构热边界条件方面，目前几乎都不考虑周围岩土体对衬砌构件高温力学性能的影响。

总的来看，现有能够开展某个方面研究的试验系统存在的问题主要是研究内容单一，不能够方便的模拟多种隧道火灾温度场景，不能够模拟多种温度-荷载工况，没有考虑周围岩土体的影响。而能够模拟隧道火灾特点(升温速度快，最高温度高)、热边界(与岩土体接触)及隧道衬砌构件受力状况，能安全、可靠的开展隧道衬砌构件(管片、接头等)高温时(高温后)力学性能试验的综合性试验系统尚未见报道。

表1目前进行构件火灾试验时使用的升温方式

序号	加热方式	温度控制方式	缺点
				1	电炉加热	温度控制器	升温速度慢，约为10～20℃/min；不能反映隧道火灾的特点
2	燃气升温	通过手动调节燃料(煤气、燃油)的流率来控制炉内温度使其按预定的温升曲线变化	(1)没有自动控制设备，手工不易控制温度按照设定曲线升高(2)能够达到的最高温度低，不能反映隧道火灾温度高的特点
				3	油料加温	以钢板焊成燃烧床，根据火灾规模剩一定量的油料(柴油+汽油)；通过调节通风量控制燃烧速率	(1)不易控制温度按照设定曲线升高；(2)难以进行自动控制(3)不够安全；燃烧过程中会产生大量的浓烟，对环境污染较大
4	耐火砖砌筑焦炭燃烧试验炉	(1)由焦炭多少控制燃烧过程中的峰值温度；(2)通过调节进风量来控制升温速率	(1)升温速度慢(2)不易控制温度按照设定曲线升高

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够模拟隧道火灾特点、热边界状态及隧道衬砌构件受力状况，能安全、可靠、高效的开展隧道衬砌构件高温时(高温后)力学性能试验的综合性多功能试验系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，包括以下各部分：①隔热保温子系统，包括加热炉炉膛、活动隔热块、隔热纤维和隔热挡板，待测构件设置在炉膛上方，所述活动隔热块、隔热纤维和隔热挡板设置在待测构件与加热炉的连接部位；②火灾热环境模拟子系统，包括燃烧器控制台、燃烧器、液化气及空气供应设备，所述燃烧器安装于炉膛内；③支座及衬砌构件力学边界模拟子系统，包括加载承台和支座，所述加载承台设置在加热炉的外面，所述支座设置在待测构件的两端并与加载承台相连接；④加载子系统，包括液压站及控制台、竖向加载千斤顶、水平加载千斤顶和加载反力框架，所述加载反力框架固定在地面上，加载反力框架包括一根横梁和两根立柱，所述竖向加载千斤顶设置在所述横梁与待测构件之间，所述水平加载千斤顶设置在立柱与支座之间；⑤测量子系统，包括与竖向加载千斤顶相连接的竖向测力传感器、与水平加载千斤顶相连接的水平测力传感器、设置在炉膛内的炉内温度传感器以及与待测构件相连接的构件参数测量装置；⑥数据采集子系统，包括上位计算机和与之相连接的数据采集器，所述数据采集器与测量子系统相连接；⑦衬砌构件热边界模拟子系统，包括设置在待测构件外表面的挡土斜撑及挡土板，以及设置在所述挡土斜撑及挡土板之间的土体。

本试验系统的优点体现在：由于选用工业级燃气燃烧器和程序自动控制升温，使得本试验系统能够较好的模拟隧道火灾场景，体现了隧道火灾升温速度快、达到的最高温度高的特点；本试验系统的升温速度，最高温度均可调，能够支持多种隧道火灾场景，可以根据要求自由选择和自动程序设定需要的温度-时间曲线；合理布置的保温隔热措施，既保证了炉内的快速升温和较小的温度波动，同时，避免了炉内高温对测试装置、加载装置及周围环境的影响；能够模拟隧道衬砌构件的热边界条件(单面受火，另一面为岩土体，能够模拟周围土体、地下水对构件的影响)；能够对衬砌构件施加多种荷载-温度工况(先升温后加载，先加载后升温或者先升温冷却后加载等)。同时，除了可以方便的进行隧道衬砌构件高温时(高温后)的力学性能试验，也可以对其进行常温时的力学性能试验；同时，能够方便对板、梁、柱等多种类型的构件进行高温时(高温后)及常温下的力学性能试验；借助于程序控制和自动数据采集技术，提高了工作效率和数据的准确性；本试验系统故障率低，安全可靠，便于操作，能够胜任隧道衬砌构件高温时(高温后)力学性能试验的要求。

优选地，所述竖向加载千斤顶与待测构件之间还设有分载梁，所述分载梁包括两个与待测构件相接触的加载头和一根与竖向加载千斤顶相连接的承载梁。分载梁可以改变待测构件上的载荷分布，更好地模拟待测构件的真实受力状态。

上述技术方案中，构件参数测量装置包括温度、变形、曲率及接头张角传感器。

上述支座的一种优选结构是由水平底板、垂直挡板和圆钢构成，所述水平底板和垂直挡板焊接连接，所述圆钢可滚动地设置在水平底板与加载承台之间。这种支座与水平加载千斤顶配合，能够对衬砌构件施加不同的位移边界条件，如实现固定铰支、活动铰支及半活动铰支等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明隧道衬砌构件高温力学性能试验系统的结构组成示意图。

图2是火灾热环境模拟子系统的组成框图。

图3是图1中A-A处的剖视图。

图4所示的是待测衬砌构件在端部形成活动铰支的状态。

图5所示的是待测衬砌构件在端部形成半活动铰支的状态。

图6所示的是待测衬砌构件在端部形成固定铰支的状态。

图7是衬砌构件热边界模拟子系统的示意图。

图8是图7中B-B处的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，由以下七个子系统组成：

(1)火灾热环境模拟子系统；

(2)隔热保温子系统；

(3)支座及衬砌构件力学边界模拟子系统；

(4)加载子系统；

(5)测量子系统；

(6)数据采集子系统；

(7)衬砌构件热边界模拟子系统。

下面对各个子系统分别作详细介绍：

一、火灾热环境模拟子系统

火灾热环境模拟子系统主要包括：燃烧器控制台1、燃烧器2、液化气及空气供应设备3，燃烧器2安装于炉膛4上预留的燃烧器安装孔5内。

火灾热环境模拟子系统的运行原理如图2所示。燃烧器控制台1根据炉膛内温度探头反馈回来的炉温，通过流量控制器自动调节液化气和空气的流量，使得炉内温度按照设定的曲线变化。同时，燃烧器2前端内置的火焰探测器能够实时探测火焰的燃烧情况，并能在异常情况下发出警报。

与现有的升温方式相比，由于采用工业级燃烧器和程序自动控制升温，本火灾热环境模拟子系统能够达到的最高温度为1350℃，最大升温速度为250℃/min，同时，可以根据研究的需要预先设定不同的隧道火灾温度-时间曲线(如HC、RABT、RWS等标准曲线)。本火灾热环境模拟子系统较好的模拟了隧道火灾升温速度快、达到的最高温度高的特点，同时，产生的温度场波动小，温度分布均。此外，由于是程序自动控制，操作简便、安全可靠。

二、隔热保温子系统

隔热保温子系统主要包括：由耐火混凝土浇注而成的加热炉炉膛4，燃烧器安装孔5，排烟道及烟囱6，活动隔热块7，隔热纤维8和隔热挡板9。炉膛4是燃烧器2火焰燃烧和热量集聚的空间。待测构件19设置在炉膛4的上方，活动隔热块7、隔热纤维8和隔热挡板9设置在待测构件19与加热炉的连接部位，避免了炉内高温对外部测试设备、加载设备以及周围环境的影响。升温过程中，燃烧产生的热废气通过炉膛4底部的排烟道和烟囱6排出炉外。活动隔热块7和隔热纤维8一起保护加载承台10免受炉内高温的影响。当进行管片及接头的高温力学性能试验时，可将隔热块7和隔热纤维8安装在图1所示的位置。当进行板、梁、柱的高温力学性能试验时，可将隔热块7卸除，以保证板、梁、柱可以自由变形。

隔热挡板9的内层为耐火纤维，外层为钢板，中间由耐火混凝土浇注而成。隔热挡板9安装于加热炉炉膛4上方，紧贴试验衬砌构件19，主要作用是减少炉内的热量损失，同时避免炉内高温对外部设备、人员的影响。

三、支座及衬砌构件力学边界模拟子系统

支座及衬砌构件力学边界模拟子系统主要包括：加载承台10和支座11。

加载承台10由刚度较大的2根钢梁和4根钢柱焊接而成，架设于加热炉的外面，并与加热炉保持1cm的间隙，加载承台10这种组成结构和布置方式既提供了对衬砌构件加载所必须的稳定的平台，同时，又避免了炉内高温对其的影响。

支座11由水平底板111、垂直挡板112和圆钢113构成，圆钢113可在水平底板111与加载承台10之间滚动，构件19的端部与水平底板111、垂直挡板112之间的孔隙由水泥砂浆114填充，如附图4所示。支座11安放在加载承台10上，用来模拟衬砌构件试验需要的边界条件。与水平加载千斤顶配合，支座11可以模拟活动铰支、半活动铰支以及固定铰支：

(1)活动铰支。撤掉水平千斤顶，支座11通过圆钢113可沿着加载承台10自由滑动，实现活动铰支，如图4所示。

(2)半活动铰支。通过伸缩千斤顶，改变衬砌构件19所受的水平向的荷载，支座11同时通过圆钢113沿着加载承台10滑动，实现半铰支，如图5所示。

(3)固定铰支。在支座11与加载反力框架16之间设置固定千斤顶，则支座11不能沿着加载承台10滑动，实现固定铰支，如图6所示。

四、加载子系统

加载子系统主要包括液压站及控制台12，竖向加载千斤顶13，水平加载千斤顶14，加载反力框架16，还可以根据需要选择不同的形式分载梁15，分载梁包括两个与待测构件19相接触的加载头和一根与竖向加载千斤顶13相连接的承载梁。加载反力框架16固定在地面上，加载反力框架16包括一根横梁和两根立柱，竖向加载千斤顶13设置在所述横梁与待测构件19之间，而两个水平加载千斤顶14设置在两个立柱与支座11之间。

加载子系统按照试验要求负责对待测衬砌构件施加竖向、水平方向的荷载。其中分载梁15可根据试验要求按照一点加载安装或者两点加载安装。

五、测量子系统

测量子系统主要包括竖向测力传感器17、水平测力传感器18、炉内温度传感器20和构件参数测量装置21。其中竖向测力传感器17设置在竖向加载千斤顶13的一端，水平测力传感器18设置在水平加载千斤顶14的一端，炉内温度传感器20设置在炉膛4内，构件参数测量装置21与待测构件19相连接，可用于测量构件的温度、变形、曲率及接头张角等参数。

具体地说，测量子系统能够测试的参量包括：

(1)衬砌构件所受的荷载。通过竖向测力传感器17和水平测力传感器18，可以得到连续的任意时刻构件的竖向及水平向的受力情况。同时，竖向测力传感器17和水平测力传感器18可用来指示加载子系统的加载。

(2)炉膛内部温度。通过炉温温度传感器20，在炉膛两侧及中央布置三个热电偶可以测得连续的炉内的温度变化。

(3)衬砌构件内部的温度分布。利用预埋或者后钻孔(在构件预定位置打孔，清孔后，在孔中注入导热性能良好的铝粉，使热电偶端部与混凝土壁间具有良好的热接触，之后在孔中填充水泥砂浆)的方法，在衬砌构件内安装热电偶即可得到连续的构件内任意点任意时刻的温度变化；同时，在构件周围包裹的土体中安装热电偶也可以得到连续的构件周围土体中的温度分布。

(4)衬砌构件的线位移。通过钢架(钢架通过膨胀螺栓固定在衬砌构件上)将位移计引出到常温区进行位移量测可以避免高温对位移计的影响，同时可以测得连续的构件任意时刻的线位移。

(5)衬砌接头张角(张开量)。利用接头张角测量装置，可以测得接头任意时刻的连续的张角(张开量)。

(6)衬砌构件曲率。利用构件曲率测量装置可以测得构件任意时刻、任意位置的连续的曲率变化。

六、数据采集子系统

数据采集子系统22主要包括上位计算机和与之相连接的数据采集器，所述数据采集器与测量子系统中的各个传感器(如温度、位移、张角、测力传感器等)相连接，并实时将数据传输到上位计算机。

七、衬砌构件热边界模拟子系统

如图7、图8所示，衬砌构件热边界模拟子系统23主要包括设置在待测构件19外表面的挡土斜撑及挡土板231，以及设置在所述挡土斜撑及挡土板231之间不同特性的土体232。试验时，通过对衬砌构件覆盖不同特性的土体232，不仅模拟了衬砌构件的热边界条件，同时模拟了地下岩土体对衬砌构件内温度分布、受力特性等的影响。

综上所述，本发明的试验系统的功能如下：

(1)利用本试验系统可以开展的研究

利用本试验系统，可以进行广泛的隧道衬砌构件的高温时(高温后)力学性能试验：

①衬砌构件内温度场传播分布规律(考虑隧道衬砌实际受火状况，以及围岩、地下水、表面防护等的影响)；②不同火灾场景、不同受力状态下，衬砌构件(管片、接头等)的损坏形式(爆裂、开裂、漏水)、损坏机理以及薄弱环节；③衬砌构件高温时、高温后的变形、承载能力；④不同火灾场景、受力状况下衬砌构件的耐火极限；⑤提高衬砌构件耐火性能的方法及试验检验。

(2)本试验系统支持的材料类型，构件形状

各种混凝土、钢筋混凝土以及钢纤维混凝土构件。构件的形状可以是衬砌管片、接头、板以及梁、柱。

(3)本试验系统能够模拟的荷载-温度工况

利用本试验系统，既可进行高温下衬砌构件的力学性能试验(可以采用先加载，后升温或者先升温后加载的荷载-温度路径)，也可进行经历高温后衬砌构件的力学性能试验。同时，也可以进行常温下衬砌构件的各种力学性能试验。

(4)本系统能够模拟的荷载(热)边界条件

本试验系统能够模拟活动铰支、半活动铰支以及固定铰支三种位移边界条件。

可以模拟隧道衬砌构件所处的热边界条件(周围岩土及地下水)。

(5)本系统能够模拟的火灾场景

本试验系统最高加热温度可以达到1350℃，最大升温速度可以达到250℃/min。较好的体现了隧道火灾升温速度快，达到的最高温度高的特点。同时，通过程序控制，可以模拟多种国际上通用的标准温度-时间曲线(如RABT、RWS、HC曲线等)。以HC标准曲线为例，实际试验表明本试验系统能够较好的模拟。

Claims (4)

1.一种隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，其特征是，包括以下各部分：

隔热保温子系统，包括加热炉炉膛(4)、活动隔热块(7)、隔热纤维(8)和隔热挡板(9)，待测构件(19)设置在炉膛(4)上方，所述活动隔热块(7)、隔热纤维(8)和隔热挡板(9)设置在待测构件(19)与加热炉的连接部位；

火灾热环境模拟子系统，包括燃烧器控制台(1)、燃烧器(2)、液化气及空气供应设备(3)，所述燃烧器(2)安装于炉膛(4)内；

支座及衬砌构件力学边界模拟子系统，包括加载承台(10)和支座(11)，所述加载承台(10)设置在加热炉的外面，所述支座(11)设置在待测构件(19)的两端并与加载承台(10)相连接；

加载子系统，包括液压站及控制台(12)、竖向加载千斤顶(13)、水平加载千斤顶(14)和加载反力框架(16)，所述加载反力框架(16)固定在地面上，加载反力框架(16)包括一根横梁和两根立柱，所述竖向加载千斤顶(13)设置在所述横梁与待测构件(19)之间，所述水平加载千斤顶(14)有两个，分别设置在两根立柱与支座(11)之间；

测量子系统，包括与竖向加载千斤顶(13)相连接的竖向测力传感器(17)、与水平加载千斤顶(14)相连接的水平测力传感器(18)、设置在炉膛(4)内的炉内温度传感器(20)以及与待测构件(19)相连接的构件参数测量装置(21)；

数据采集子系统(22)，包括上位计算机和与之相连接的数据采集器，所述数据采集器与测量子系统相连接；

衬砌构件热边界模拟子系统(23)，包括设置在待测构件(19)外表面的挡土斜撑及挡土板(231)，以及设置在所述挡土斜撑及挡土板之间的土体(232)。

2.根据权利要求1所述的隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，其特征是，所述竖向加载千斤顶(13)与待测构件(19)之间还设有分载梁(15)，所述分载梁(15)包括两个与待测构件(19)相接触的加载头和一根与竖向加载千斤顶(13)相连接的承载梁。

3.根据权利要求1所述的隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，其特征是，构件参数测量装置(21)包括温度、变形、曲率及接头张角传感器。

4.根据权利要求1所述的隧道衬砌构件高温力学性能试验系统，其特征是，所述支座(11)包括水平底板(111)、垂直挡板(112)和圆钢(113)，所述水平底板(111)和垂直挡板(112)焊接连接，所述圆钢(113)可滚动地设置在水平底板(111)与加载承台(10)之间。

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