CN105910940A - 竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置 - Google Patents

竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置 Download PDF

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赵顺波
闫磊源
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于永奇
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Abstract

本发明公开了一种竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，它涉及一种抗火试验装置，属于建筑结构防灾减灾技术领域，包括炉体、加载系统、信息采集系统、燃烧控制系统，炉体由剪力墙构件、炉侧壁、炉顶盖利用螺栓、螺杆拼装而成，所述炉侧壁与炉顶盖均利用不锈钢锚固件将含锆耐火纤维组块固定在钢板上。本发明组装效率高，可修改性好，可根据不同试件尺寸修改围护炉壁，重复利用率高，减少浪费，且实现了对轴压力作用下的竖向放置剪力墙的抗火试验，可模拟试件真实工况；利用智能比调仪、电动执行器实现了对炉温的自动化控制；剪力墙试件与炉壁组合为炉体，可实现一榀或多榀剪力墙的同步试验，既减小了试验数据离散性，又达到了节省能源的目的。

Description

竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置
技术领域
该发明属于建筑结构防灾减灾技术领域，特别是涉及一种竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置。
背景技术
近年来，建筑火灾发生频次有增无减，由此造成的损失触目惊心。因此，建筑构件耐火性能研究引起了研究人员的重视。建筑构件耐火性能主要根据耐火试验得到，即在标准升温条件、压力条件等要求下，检测建筑构件是否满足《建筑构件耐火试验规范》(GB/T 9978.1-2008)中规定的耐火性能要求。
钢筋混凝土剪力墙是高层建筑中重要的构件之一，当火灾发生时，不仅承受竖向荷载，还充当防火墙的功能。所以，研究荷载与高温共同作用下剪力墙的抗火性能，进行合理的抗火设计，对于火灾下结构的安全性具有重要的意义。剪力墙单面受火是建筑结构局部发生火灾时常见工况之一，目前，已经研制的建筑构件组合式耐火试验炉可以进行剪力墙单面耐火试验(发明专利《建筑构件组合式耐火试验炉》，公开号为CN 1896714)。但是，该试验炉无法实现对剪力墙进行加载。因此，已有的试验研究大都采用水平耐火炉，将剪力墙水平放置，施加轴向自应力，进行单面受火试验。然而，在火灾下，水平放置剪力墙构件的自重相当于对其施加了水平力，这与实际工况下的竖向位置的剪力墙荷载形式明显不同；同时，室内发生火灾时，烟火向上升腾，烟气竖向比横向蔓延速度快，上部比下部浓度高，水平放置的剪力墙构件受火面处于同一高度，受火面附近烟气温度大致相同，不能反映实际工况下剪力墙受火面附近烟气温度随着高度而变化的规律。因此，水平放置剪力墙构件进行耐火试验，不论荷载形式、还是周围环境温度都与实际工况不同，不能准确反映剪力墙受火行为。
另外，现有的实验炉体大都采用砌筑结构，可修改性小，对于不同的试件尺寸，需要砌筑不同型号的实验炉体，造成实验炉体的重复利用率小，增加了浪费，并且现有的实验炉体的温升很难实现温度实时自动控制。
发明内容
本发明克服了现有技术中现有抗火试验装置无法实现竖向放置剪力墙在轴压力作用下受火试验、无法重复利用、温升控制不够精确的问题，提供一种更接近于实际工况、减少浪费且能实现温度实时自动控制的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，包括炉体、加载系统、信息采集系统、燃烧控制系统，所述炉体由剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，所述剪力墙构件（1）包括剪力墙墙身(1-2)、剪力墙加载梁(1-1)和剪力墙底墩(1-3)，所述剪力墙墙身(1-2)、炉侧壁(2-1)围合成竖向箱型空间，在竖向箱型空间的顶部放置炉顶盖(2-2)，所述炉侧壁(2-1)与炉顶盖(2-2)的钢板边缘设计螺栓预留孔，炉侧壁(2-1)钢板上边缘焊接钻孔角钢(2-1-2)与炉顶盖(2-2)边缘用螺栓紧固，剪力墙底墩(1-3)通过压梁(6-1)和高强螺杆(6-2)固定在试验台座上，以限制剪力墙构件(1)的平动和转动，炉侧壁（2-1）底部至剪力墙底墩(1-3)高度范围内用耐火砖填充，所述炉侧壁(2-1)与炉顶盖(2-2)均利用不锈钢锚固件将含锆耐火纤维组块(2-1-1、2-2-1)固定在钢板上；所述加载系统包括反力架(3)、液压千斤顶(4)、荷载传感器(5)，所述液压千斤顶(4)倒挂于反力架 (3)上，其前端连接荷载传感器(5)，所述荷载传感器(5)放置在剪力墙加载梁(1-2) 顶部截面中心处；所述信息采集系统包括荷载传感器(5)、位移测量装置(7)、热电偶(8)、信息采集仪器(9)和计算机系统(10) ，所述热电偶(8)设在炉侧壁(2-1)的预留孔内，位移测量装置(7)设在剪力墙墙身(1-2)外侧，位移测量装置(7)、荷载传感器(5)和热电偶(8)通过信息采集仪器(9)与计算机系统(10)连接；所述燃烧控制系统包括燃烧器(11)、燃料管道(12)、空气管道(15)、排烟道(17)，所述燃烧器(11)通过法兰固定在炉体侧壁(2-1)上，燃料管道（12）与空气管道（15）分别通过软管与燃烧器（11）连接，所述排烟道(17)设置在炉体顶部。
所述燃烧控制系统还包括汽化器(13)、储气瓶(14)、一级调压器（12-1）和二级调压器（12-2），所述储气瓶(14)通过集气管连接在燃料管道(12)的端部，在所述储气瓶(14)与所述燃烧器（11）之间的燃料管道(12)上依次连接有汽化器(13)、一级调压器（12-1）和二级调压器（12-2）。
所述汽化器(13)上安装有压力表。
所述空气管道(15)的入口处连接助燃风机(16)。
所述燃烧控制系统还包括智能比调仪(18)和电动执行器(19)，所述燃料管道(12)上设有空气/燃料比例调节阀（12-3），空气管道(15)上设置有空气流量调节阀(15-1)，所述智能比调仪(18)通过信号线连接电动执行器(19)与热电偶(8)，所述电动执行器（19）连接空气流量调节阀(15-1)，所述空气/燃料比例调节阀（12-3）通过导管与空气管道（15）连接。所述智能比调仪（18）根据目标温度与实际温度差值，输出控制电信号至电动执行器(19)，控制电动执行器(19)的输出轴做相应角位移带动空气流量调节阀(15-1)的开启和关闭动作，同时，空气/燃料比例调节阀（12-3）根据空气流量调节阀(15-1)的开启和关闭做相应动作。
所述位移测量装置(7)由陶瓷管(7-1)，连接件(7-2)，位移计(7-3)组成，陶瓷管(7-1)的一端抵触在剪力墙墙身(1-2)需要测量处、另一端通过连接件(7-2)与位移计(7-3)连接。
所述燃烧器(11)包含偶数个，呈水平交叉对称分布于炉体侧壁上，每一个燃烧器都配备有自动点火装置和火焰监测装置。
所述储气瓶(14)包含多个，每个储气瓶设置有分路切割阀。
所述炉体由两榀剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，剪力墙墙身（1-2）与两个炉侧壁（2-1）围合成箱型空间，所述反力架(3)由四根立柱(3-1)、两根横梁(3-2)和一根纵梁(3-3)组成，立柱(3-1)下端与地面固结，其中两根立柱(3-1-1、3-1-2)通过一根横梁(3-2-1)连接，另两根立柱(3-1-3、3-1-4)通过另一根横梁(3-2-2)连接，两根横梁(3-2)通过一根纵梁(3-3)连接，两个液压千斤顶(4)分别倒挂于反力架纵梁(3-3)上，每个液压千斤顶前端的荷载传感器(5)放置于其中一榀剪力墙构件的剪力墙加载梁(1-2)顶部截面中心处。
所述炉体由四榀剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，剪力墙墙身（1-2）与四个L型炉侧壁（2-1）围合成箱型空间，所述反力架(3)包括两个。
与现有技术相比，本发明竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置具有以下优点：1、本发明中炉体由剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，组装效率高，可修改性好，可根据不同试件尺寸修改围护炉壁，重复利用率高，减少浪费；2、本抗火试验装置适用于竖向放置剪力墙在轴压力作用下的单面或双面受火试验，无论是荷载形式，还是受火环境都与实际工况一致，可实现一榀或多榀剪力墙同时试验，既减小了试验数据离散性，又达到了节省能源的目的，在实验过程中可以方便地测量出剪力墙构件在火灾情况下的温度场、变形及反力等结构反应；3、本发明中利用汽化器将储气瓶内液相状态的液化气转化成低压气相状态，提高了燃烧效率，汽化器(13)上安装有压力表，可实现燃气量的自动监控；4、智能比调仪通过信号线连接电动执行器（19）与热电偶（8），可以根据目标温度与实际温度差值，输出控制电信号至电动执行器（19），而后电动执行器（19）的输出轴做相应角位移带动空气流量调节阀（15-1）的开启和关闭动作，同时，空气/燃料比例调节阀（12-3）根据空气流量调节阀（15-1）的开启和关闭做相应动作，可以对液化气、风量进行流量自动调节，从而实现对燃烧过程炉温的实时自动化控制；5、每一个燃烧器都配备有自动点火、火焰监测装置，可实现自动点火，熄火保护，以确保运行过程中无脱火、熄火现象发生；6、所述燃烧系统的储气瓶(14)包含多个，每个储气瓶设置有分路切割阀可以切断燃气的输入，方便储气瓶更换，实现不间断受火试验。
附图说明
图1是实施例一中竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置的主视剖视结构示意图（未表示燃烧控制系统和信息采集系统的部分构件）；
图2是图1的 A-A剖视结构示意图（只示出了炉体和加载系统）；
图3是图1的B-B剖视结构示意图（只示出了炉体、燃烧控制系统和信息采集系统）；
图4是图1的C-C剖视结构示意图（只示出了炉体和加载系统）；
图5是实施例二中炉体的俯视结构示意图。
具体实施方式
附图说明中标号1是剪力墙构件，1-1是剪力墙加载梁，1-2是剪力墙墙身，1-3是剪力墙底墩，2-1是炉侧壁，2-1-1是含锆耐火纤维组块，2-1-2是钻孔角钢， 2-2是炉顶盖，2-2-1是含锆耐火纤维组块，3是反力架，3-1是立柱，3-1-1是立柱，3-1-2是立柱，3-1-3是立柱，3-1-4是立柱，3-2是横梁，3-2-1是横梁，3-2-2是横梁，3-3是纵梁，4是液压千斤顶，5是荷载传感器，6-1是压梁，6-2是高强螺杆，7是位移测量装置，7-1是陶瓷管，7-2是连接件，7-3是位移计，8是热电偶，9是信息采集仪器，10是计算机系统，11是燃烧器，12是燃料管道，12-1是一级调压器，12-2是二级调压器，12-3是空气/燃料比例调节阀，13是汽化器，14是储气瓶，15是空气管道，15-1是空气流量调节阀，16是助燃风机，17是排烟道，18是智能比调仪，19是电动执行器。
下面结合附图和具体实施方式对本发明竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置作进一步说明：
实施例一：如图1-图4所示，本实施例中，竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，包括炉体、加载系统、信息采集系统、燃烧控制系统，所述剪力墙构件1包括剪力墙墙身1-2、剪力墙加载梁1-1剪力墙底墩1-3，所述炉体由两榀剪力墙构件1、炉侧壁2-1、炉顶盖2-2利用螺栓、螺杆拼装而成，剪力墙墙身1-2与两个炉侧壁2-1围合成竖向箱型空间，在竖向箱型空间的顶部放置炉顶盖2-2，所述炉侧壁2-1与炉顶盖2-2的钢板边缘设计螺栓预留孔，炉侧壁2-1钢板上边缘焊接钻孔角钢2-1-2与炉顶盖2-2边缘用螺栓紧固，剪力墙底墩1-3通过压梁6-1和高强螺杆6-2固定在试验台座上，以限制剪力墙构件1的平动和转动，炉侧壁2-1底部至剪力墙底墩1-3高度范围内用耐火砖填充，所述炉侧壁2-1利用不锈钢锚固件将含锆耐火纤维组块2-1-1固定在钢板上，炉顶盖2-2利用不锈钢锚固件将含锆耐火纤维组块2-2-1固定在钢板上；所述加载系统包括反力架3、液压千斤顶4、荷载传感器5，所述液压千斤顶4倒挂于反力架 3上，其前端连接荷载传感器5，所述荷载传感器5设置在剪力墙加载梁1-1顶部截面中心处；所述信息采集系统包括荷载传感器5、位移测量装置7、热电偶8、信息采集仪器9和计算机系统10 ，所述热电偶8设在炉侧壁2-1的预留孔内，位移测量装置7设在剪力墙墙身1-2外侧，位移测量装置7、荷载传感器5和热电偶8通过信息采集仪器9与计算机系统10连接；所述燃烧控制系统包括燃烧器11、燃料管道12、空气管道15、排烟道17，所述燃烧器11通过法兰固定在炉体侧壁2-1上，燃料管道12与空气管道15分别通过软管与燃烧器11连接，所述排烟道17设置在炉体顶部。
所述反力架3由四根立柱3-1、两根横梁3-2和一根纵梁3-3组成，立柱3-1下端与地面固结，其中立柱3-1-1和立柱3-1-2通过一根横梁3-2-1连接，立柱3-1-3和立柱3-1-4通过另一根横梁3-2-2连接，两根横梁3-2通过一根纵梁3-3连接，两个液压千斤顶4分别倒挂于反力架纵梁3-3上，每个液压千斤顶前端的荷载传感器5放置于其中一榀剪力墙构件的剪力墙加载梁1-2顶部截面中心处。
所述燃烧控制系统还包括汽化器13、储气瓶14、一级调压器12-1和二级调压器12-2，所述储气瓶14通过集气管连接在燃料管道12的端部，在所述储气瓶14与所述燃烧器11之间的燃料管道12上依次连接有汽化器13、一级调压器12-1和二级调压器12-2。
所述汽化器13上安装有压力表。
所述空气管道15的入口处连接助燃风机16。
所述燃烧控制系统还包括智能比调仪18和电动执行器19，所述燃料管道12上设有空气/燃料比例调节阀12-3，空气管道15上设置有空气流量调节阀15-1，所述智能比调仪18通过信号线连接电动执行器19与热电偶8，所述电动执行器19连接空气流量调节阀15-1，所述空气/燃料比例调节阀12-3通过导管与空气管道15连接。所述智能比调仪18根据目标温度与实际温度差值，输出控制电信号至电动执行器19，控制电动执行器19的输出轴做相应角位移带动空气流量调节阀门15-1的开启和关闭动作，同时，空气/燃料比例调节阀12-3根据空气流量调节阀门15-1的开启和关闭做相应动作。
所述位移测量装置7由陶瓷管7-1，连接件7-2，位移计7-3组成，陶瓷管7-1的一端抵触在剪力墙墙身1-2需要测量处、另一端通过连接件7-2与位移计7-3连接。
所述燃烧器11包含偶数个，呈水平交叉对称分布于炉体侧壁上，每一个燃烧器都配备有自动点火装置和火焰监测装置。
所述储气瓶14包含多个，每个储气瓶设置有分路切割阀。
实施例二：如图5所示，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，所述炉体由四榀剪力墙构件1、炉侧壁2-1、炉顶盖2-2利用螺栓、螺杆拼装而成，剪力墙墙身1-2与四个L型炉侧壁2-1围合成箱型空间，相应的，需要设置两个反力架。
本发明工作过程是：
试验时，首先根据受火剪力墙试件1的大小建造炉侧壁2-1、炉顶盖2-2，并预留热电偶8、燃烧器11、排烟道17预留孔及螺栓孔；然后根据试验要求按炉体具体实施例一或二将剪力墙构件1、炉侧壁2-1吊装就位，用丝杆穿过炉侧壁预留孔，丝杆两端用螺母紧固，将炉顶盖2-2吊装就位于剪力墙构件1的加载梁1-1顶部，利用炉侧壁2-1 钢板上边缘焊接的钻孔角钢2-1-2与炉顶盖2-2用螺栓连接；再安装压梁6-1、高强螺杆6-2，将剪力墙构件1的底墩1-3固定于试验台座上；将燃烧器11、热电偶8固定于炉侧壁2-1，连接气化器13、助燃风机16、智能比调仪18所用电线路；在剪力墙墙身1-2相应位置安装位移测量装置7，同时将荷载传感器5、位移计7-3、热电偶8与信息采集仪器9连接，并将信息采集仪器9与计算机10连接；启动信息采集仪器9与计算机10，然后对剪力墙构件1施加预定轴向荷载，而后将预定升温曲线输入智能比调仪18，启动点火开关，开始试验。

Claims (10)

1.一种竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，包括炉体、加载系统、信息采集系统、燃烧控制系统，其特征在于，所述炉体由剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，所述剪力墙构件（1）包括剪力墙墙身(1-2)、剪力墙加载梁(1-1)和剪力墙底墩(1-3)，所述剪力墙墙身(1-2)、炉侧壁(2-1)围合成竖向箱型空间，在竖向箱型空间的顶部放置炉顶盖(2-2)，所述炉侧壁(2-1)与炉顶盖(2-2)的钢板边缘设计螺栓预留孔，炉侧壁(2-1)钢板上边缘焊接钻孔角钢(2-1-2)与炉顶盖(2-2)边缘用螺栓紧固，剪力墙底墩(1-3)通过压梁(6-1)和高强螺杆(6-2)固定在试验台座上，以限制剪力墙构件(1)的平动和转动，炉侧壁（2-1）底部至剪力墙底墩(1-3)高度范围内用耐火砖填充，所述炉侧壁(2-1)与炉顶盖(2-2)均利用不锈钢锚固件将含锆耐火纤维组块(2-1-1、2-2-1)固定在钢板上；所述加载系统包括反力架(3)、液压千斤顶(4)、荷载传感器(5)，所述液压千斤顶(4)倒挂于反力架 (3)上，其前端连接荷载传感器(5)，所述荷载传感器(5)放置在剪力墙加载梁(1-2) 顶部截面中心处；所述信息采集系统包括荷载传感器(5)、位移测量装置(7)、热电偶(8)、信息采集仪器(9)和计算机系统(10) ，所述热电偶(8)设在炉侧壁(2-1)的预留孔内，位移测量装置(7)设在剪力墙墙身(1-2)外侧，位移测量装置(7)、荷载传感器(5)和热电偶(8)通过信息采集仪器(9)与计算机系统(10)连接；所述燃烧控制系统包括燃烧器(11)、燃料管道(12)、空气管道(15)、排烟道(17)，所述燃烧器(11)通过法兰固定在炉体侧壁(2-1)上，燃料管道（12）与空气管道（15）分别通过软管与燃烧器（11）连接，所述排烟道(17)设置在炉体顶部。
2.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述燃烧控制系统还包括汽化器(13)、储气瓶(14)、一级调压器（12-1）和二级调压器（12-2），所述储气瓶(14)通过集气管连接在燃料管道(12)的端部，在所述储气瓶(14)与所述燃烧器（11）之间的燃料管道(12)上依次连接有汽化器(13)、一级调压器（12-1）和二级调压器（12-2）。
3.根据权利要求2所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述汽化器(13)上安装有压力表。
4.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述空气管道(15)的入口处连接助燃风机(16)。
5.根据权利要求1或4所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述燃烧控制系统还包括智能比调仪(18)和电动执行器(19)，所述燃料管道(12)上设有空气/燃料比例调节阀（12-3），空气管道(15)上设置有空气流量调节阀(15-1)，所述智能比调仪(18)通过信号线连接电动执行器(19)与热电偶(8)，所述电动执行器（19）连接空气流量调节阀(15-1)，所述空气/燃料比例调节阀（12-3）通过导管与空气管道（15）连接。
6.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述位移测量装置(7)由陶瓷管(7-1)，连接件(7-2)，位移计(7-3)组成，陶瓷管(7-1)的一端抵触在剪力墙墙身(1-2)需要测量处、另一端通过连接件(7-2)与位移计(7-3)连接。
7.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述燃烧器(11)包含偶数个，呈水平交叉对称分布于炉体侧壁上，每一个燃烧器都配备有自动点火装置和火焰监测装置。
8.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述储气瓶(14)包含多个，每个储气瓶设置有分路切割阀。
9.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述炉体由两榀剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，剪力墙墙身（1-2）与两个炉侧壁（2-1）围合成竖向箱型空间，所述反力架(3)由四根立柱(3-1)、两根横梁(3-2)和一根纵梁(3-3)组成，立柱(3-1)下端与地面固结，其中两根立柱(3-1-1、3-1-2)通过一根横梁(3-2-1)连接，另两根立柱(3-1-3、3-1-4)通过另一根横梁(3-2-2)连接，两根横梁(3-2)通过一根纵梁(3-3)连接，两个液压千斤顶(4)分别倒挂于反力架纵梁(3-3)上，每个液压千斤顶前端的荷载传感器(5)放置于其中一榀剪力墙构件的剪力墙加载梁(1-2) 顶部截面中心处。
10.根据权利要求1所述的竖向荷载作用下的剪力墙受火试验装置，其特征在于，所述炉体由四榀剪力墙构件(1)、炉侧壁(2-1)、炉顶盖(2-2)利用螺栓、螺杆拼装而成，剪力墙墙身1-2与四个L型炉侧壁（2-1）围合成竖向箱型空间，所述反力架(3)包括两个。
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