CN107389468A - 热‑力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法 - Google Patents

热‑力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法 Download PDF

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Abstract

热‑力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，利用伺服加载装置、高温设备与声发射检测系统组成热‑力耦合系统，通过将试件放入上下外伸臂之间，调控伺服系统对试件进行预设加载，而后利用高温设备按照国际升温曲线ISO 834对试件进行实时升温，同时开启声发射检测系统对试件进行全程监测，以模拟实际火灾发生时建筑结构材料已受一定荷载的现实情况，待达到目标温度后，对试件进行承压实验，通过伺服系统测试试件在热‑力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量等力学性能以研究建筑结构材料在热‑力耦合作用下的性能。

Description

热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法
技术领域
本发明涉及试验方法领域，具体涉及一种建筑结构材料测试试验方法。
背景技术
实际工程中火灾发生时建筑结构材料劣化比较复杂，影响因素并不唯一，根据单一因素作用研究分析建筑结构材料性能问题难以准确反应工程实际。因此，建立热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，研究热-力耦合作用下建筑结构材料劣化性能的破坏机理及防护措施具有十分重要的意义。
目前国内外对于建筑结构材料性能测试的装置及测试方法已有较多公开的文献；CN102778389B专利文献公开了一种混凝土在荷载与多因数耦合作用下混凝土试验加载装置及试验方法，可以满足在特殊环境下进行混凝土性能测试，能模拟实际工程中应力、化学侵蚀、干湿循环或冻融循环共同作用于混凝土构件的真实工况，从而使实验室测得的数据更具有工程参考价值。CN101561360B专利文献公开了一种混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置，可以在多种环境下进行沥青混凝土太阳能集热试验，也可进行电热法和热流体法混凝土融雪化冰试验。CN101949816B专利文献公开了一种测定塑性混凝土渗透系数的试验方法，该测试方法对塑性混凝土的渗透系数进行研究，有效的解决了现有防渗墙塑性混凝土的配合比设计中试验不能真实反映实际抗渗问题。CN103900901B专利文献公开了一种楔入劈拉法混凝土试验装置，采用分块式的传力板实现了间距可调，适用于不同几何尺寸的混凝土试件，有利于进行实验研究。CN106018251A专利文献公开了一种用于荷载-溶液侵蚀长期耦合作用的混凝土构件，能长期进行的荷载-溶液腐蚀耦合作用的钢筋混凝土试验，以解决传统试验方法中加载仪器容易腐蚀且占地较大的缺点。
以上已公开的专利文献涉及了各种建筑结构材料测试方法及装置，为实验理论基础研究提供了可靠便利的条件，但能反映实际火灾中建筑结构材料的测试方法及装置涉及较少，目前尚未见报道有关热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法。
发明内容
本发明的目的就是针对实际火灾中建筑结构材料的损伤劣化性能如何检测问题，提出热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，通过伺服系统测试试件在热-力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量等力学性能以研究建筑结构材料在热-力耦合作用下的性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，所述试验方法利用热-力耦合系统实现，所述热-力耦合系统包括伺服加载装置、高温设备、声发射检测系统；
所述测试方法为：调控伺服加载装置对试件进行预设荷载，而后利用高温设备按照国际升温曲线ISO 834对试件进行升温，同时开启声发射检测系统对试件进行全程监测，声发射检测系统的声发射传感器采集热-力耦合作用下试件的损伤产生的振动信号，通过声发射检测系统的声发射仪器将试件损伤的振动信号转化为电信号进行处理和分析；待试件达到目标温度后，对试件进行承压实验，通过伺服加载装置测试试件在热-力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量力学性能。
优选的，所述预设荷载的测试方法为：
对试件进行常温的承压实验，通过伺服系统在常温下测试试件的极限受压承载力，根据建筑结构材料实际工程中所受荷载及实验设计要求预设荷载，例如：预设荷载为预设常温下试件极限受压承载力的50%或者30%。
优选的，所述伺服加载装置用于对试件进行预设加载，伺服加载装置包括相对设置的第一子伺服系统、第二子伺服系统，第一子伺服系统上设有第一外伸臂，第二子伺服系统上设有第二外伸臂；第一外伸臂与第二外伸臂相对设置，第一外伸臂与第二外伸臂之间设置试件。
优选的，所述高温设备用于对所述试件进行升温；所述高温设置包括高温炉，高温炉包括两个空心的半圆柱形炉体，隔热毡填充在两个半圆柱体炉体内，电阻丝间隔排列镶嵌于隔热毡内，两个炉体上设有相互配合的门闩。
优选的，所述声发射检测系统包括相连接的声发射仪器、声发射传感器，声发射传感器用于采集热-力耦合作用下试件的损伤产生的振动信号。
优选的，所述第一子伺服系统位于第二子伺服系统正上方；所述第二子伺服系统设置在控制台上，控制台上设置竖向设置的两根钢柱，两根钢柱之间设置钢梁，第一子伺服系统设置在钢梁上。
优选的，所述高温炉上连接有高温炉控制器。
优选的，所述第一、二子伺服系统内部分别排列有循环冷却水管。
优选的，所述第一外伸臂与第二外伸臂相对端上设置所述高温炉。
优选的，所述声发射传感器运用凡士林作为耦合剂与第一子伺服系统耦合连接，声发射传感器靠近所述第一外伸臂。
本发明具有的有益效果：
（1）采用热-力耦合系统下对于建筑结构材料在热-力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量等力学性能实时检测，有利于研究建筑结构材料在热-力耦合作用下的性能。
（2）运用声发射检测系统对建筑结构材料性能进行全程监测，将建筑结构材料在热-力耦合作用下的损伤和劣化信号转化为电信号进行数据的分析与研究，以佐证和研究建筑结构材料的性能。
（3）采用国际升温曲线ISO 834对试件进行升温，能模拟实际建筑结构材料在火灾中受损失和劣化的过程，通过预设荷载的方式模拟建筑结构材料结构建筑结构材料在火灾发生时已承受一部分荷载的实际情况，有利于贴近实际的研究建筑结构材料耐高温性能。
（4）利用循环冷却水对高温实验进行降温，确保高温实验顺利进行，避免实验设备的损伤。
附图说明
图1为本发明热-力耦合作用下建筑结构材料测试装置的示意总图。
图2为本发明热-力耦合作用下建筑结构材料测试装置的高温炉细部构造图；
图3是本发明热-力耦合作用下建筑结构材料测试装置的高温炉外轮廓图；
图4是200℃下0.4水胶比PVA纤维混凝土热膨胀变形图；
图5是200℃下0.4水胶比PVA纤维混凝土热承载力图；
图6是400℃下0.4水胶比PVA纤维混凝土热膨胀变形图；
图7是400℃下0.4水胶比PVA纤维混凝土承载力图；
图8是600℃下0.4水胶比PVA纤维混凝土热膨胀变形图；
图9是600℃下0.4水胶比PVA纤维混凝土承载力图；
图中，钢柱1、钢梁2、高温炉3、连接线4、声发射仪器5、控制台6、第一子伺服系统71、第二子伺服系统72、声发射传感器8、试件9、第二外伸臂10、循环冷却水管11、高温炉控制器12、电阻丝13、门闩14、隔热毡15、第一外伸臂16。
具体实施方式
如图1至3所示，热-力耦合作用下建筑结构材料试验加载装置，将钢柱1、钢梁2、控制台6、伺服系统、外伸臂、循环冷却水管11组成伺服加载装置；将高温炉3、高温炉控制器12、电阻丝13、隔热毡15、连接线4、门闩14组成高温设备；通过将声发射传感器8用凡士林与伺服系统7耦合连接，再通过连接线4与声发射仪器5组成声发射检测系统。
伺服加载装置用于对试件进行预设加载，伺服加载装置包括相对设置的第一子伺服系统71、第二子伺服系统72，第一子伺服系统71上设有第一外伸臂16，第二子伺服系统72上设有第二外伸臂10；第一外伸臂16与第二外伸臂10相对设置，第一外伸臂16与第二外伸臂10之间设置试件9。
第一子伺服系统71位于第二子伺服系统72正上方；所述第二子伺服系统72设置在控制台6上，控制台上设置竖向设置的两根钢柱1，两根钢柱1之间设置钢梁2，第一子伺服系统71设置在钢梁2上。
高温炉3包括两个空心的半圆柱形炉体，隔热毡15填充在两个半圆柱体炉体内，电阻丝13间隔排列镶嵌于隔热毡15内，两个炉体上设有相互配合的门闩14。
伺服加载装置、高温设备与声发射检测系统组成热-力耦合系统，在伺服系统内部排列循环冷却水管，通过循环冷却水对伺服系统进行降温，确保高温实验进行，常用的建筑结构材料有混凝土、金属材料、岩石、砂浆等，制成试件尺寸规格在合理误差范围内，在热-力耦合系统下进行建筑结构材料测试试验。
通过将试件放入上下外伸臂之间，调控伺服系统对试件进行预设荷载，而后利用高温设备按照国际升温曲线ISO 834对试件进行升温，同时开启声发射检测系统对试件进行全程监测，待达到目标温度后，对试件进行承压实验，通过伺服系统测试试件在热-力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量等力学性能以研究建筑结构材料的热-力耦合作用下的性能。
将试件放入上下外伸臂之间，调控伺服系统将试件夹紧，对试件进行常温的承压实验，通过伺服系统在常温下测试试件的极限受压承载力，根据建筑结构材料实际工程中所受荷载及实验设计要求预设荷载。例如，预设极限受压残余承载力的50%，30%。
声发射检测系统对试件全程监测，通过凡士林作为耦合剂将声发射传感器与伺服系统连接，利用声发射传感器采集热-力耦合作用下试件的损伤产生的振动信号，通过声发射仪器将试件损伤的振动信号转化为电信号进行处理和分析，以研究和佐证试件建筑结构材料的热-力耦合下的性能。
按照国际升温曲线ISO 834对试件进行升温，采用国际升温曲线ISO 834对预设荷载下试件进行升温，以模拟现实火灾发生时环境温度，更贴近真实环境以研究建筑结构材料在热-力耦合作用下的性能。
热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，利用伺服加载装置、高温设备与声发射检测系统测试建筑结构材料在热-力耦合作用下性能，通过将试件放入上下外伸臂之间，调控伺服系统对试件进行预设荷载，而后通过高温设备对试件进行国际升温曲线ISO834升温，同时开启声发射检测系统对试件进行全程监测，以模拟实际火灾发生时建筑结构材料已受一定荷载的现实情况，通过伺服系统测试试件在热-力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量等力学性能以研究建筑结构材料在热-力耦合作用下的性能。
测试方法具体步骤如下：
1）利用常用建筑结构材料制作试验试件，几何尺寸满足合理误差范围，对试件进行常温的承压实验，测试试件的极限受压承载力。
2）在热-力耦合系统下，根据实际建筑结构材料所受荷载及实验设计要求对试件预设荷载。例如，加载极限荷载的50%、30%。
3）利用热-力耦合系统对预设荷载下的试件进行加温，加温方式采用国际升温曲线ISO 834，以模拟现实火灾中建筑结构材料的真实状况。
4）待达到目标温度后，恒定温度15分钟后，进行承压实验，测试试件热膨胀变形、残余承载力、应力、应变、弹性模量等力学性能。
5）利用声发射检测系统对试验进行全程监测，通过声发射对建筑结构材料在热-力耦合作用下的损伤情况进行处理采集，用以研究和佐证材料在热-力耦合作用下的性能。
具体实例
利用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的MTS810材料测试系统及声发射检测系统研究热-力耦合作用下PVA纤维混凝土结构材料的性能，对PVA纤维混凝土试件提前预设50%荷载进行以上所述的实验方法，得到部分数据见图4、图5、图6、图7、图8、图9。
试验步骤：
①MTS 810材料测试系统能够实现对试件的提前预设荷载，并在保持恒定荷载作用下通过配套高温设备进行升温。通过先预设荷载而后升温的实验方法可以模拟实际火灾中混凝土结构材料已受荷载的真实状况。在升温过程中系统能够精确的记录下混凝土材料的热膨胀位移和升温时间，有利于分析混凝土材料的在高温荷载作用下的热膨胀随升温时间的变化规律。
②在混凝土材料经高温热膨胀后，可以进行高温荷载下混凝土材料承载力性能研究，通过MTS 810材料测试系统对高温荷载下的混凝土试件进行承压实验，测试混凝土材料在经预设荷载而后升温下的承载力，以模拟实际火灾中混凝土结构材料的承载力，对火灾发生时混凝土结构材料的承载力作出初步的基础评估。
③中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室已将声发射检测分析系统与MTS 810材料测试系统进行组装，将声发射检测分析系统的传感器安装在上部伺服系统上，通过循环水进行冷却，保证了声发射装置在高温下正常工作。能够实现对实验进行全程的监测，将混凝土材料在热膨胀中产生的膨胀振动信号以及承载力实验中的损伤劣化振动信号转化成电信号进行数据的分析处理，更有利表征混凝土材料在高温不同荷载下的热膨胀及承载随升温时间的变化规律。
试验结果：
①从200℃至600℃热膨胀变形图可以看出，在预设50%极限荷载下随着温度的升高，加热的时间延长，混凝土材料的热膨胀变形越大，从声发射信号分布来看，温度越高，声发射信号越强，说明混凝土在高温环境下骨料与基体由于热膨胀系数不一样，产生温度应力，随着加热温度的升高，产生的温度应力加大，从而导致热膨胀变形随温度大致呈线性增长。
②从200℃至600℃混凝土承载力图可以得出，在预设50%极限荷载下，随着升温温度的提高，能量计数率在整个加载过程分布越广。当目标温度较小时，混凝土受热力损伤影响较少，预设50%荷载应力下，裂缝发展缓慢，声发射活动较少，随着应力的增长，新生裂缝增多，声发射活动开始活跃，故在应力接近极限荷载应力时声发射信号明显增多。当目标温度较大时，混凝土受热-力耦合作用，受到的损伤较大，声发射采集到的信息较多，活动较为频繁，随着应力的增长接近极限荷载时，声发射活动表现更为活跃。由此可知，升温温度越高，混凝土损伤越大，声发射越活跃。

Claims (10)

1.热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，所述试验方法利用热-力耦合系统实现，所述热-力耦合系统包括伺服加载装置、高温设备、声发射检测系统；
其特征是，所述测试方法为：调控伺服加载装置对试件（9）进行预设荷载，而后利用高温设备按照国际升温曲线ISO 834对试件（9）进行升温，同时开启声发射检测系统对试件（9）进行全程监测，声发射检测系统的声发射传感器（8）采集热-力耦合作用下试件（9）的损伤产生的振动信号，通过声发射检测系统的声发射仪器（4）将试件（9）损伤的振动信号转化为电信号进行处理和分析；待试件（9）达到目标温度后，对试件进行承压实验，通过伺服加载装置测试试件在热-力耦合作用下热膨胀变形、应力、应变、残余承载力、弹性模量力学性能。
2.根据权利要求1所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试装置的测试方法，其特征是，所述预设荷载的测试方法为：
对试件（9）进行常温的承压实验，通过伺服系统在常温下测试试件的极限受压承载力，根据建筑结构材料实际工程中所受荷载及实验设计要求预设荷载，预设荷载为预设常温下试件极限受压承载力的50%或者30%。
3.根据权利要求2所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述伺服加载装置用于对试件进行预设加载，伺服加载装置包括相对设置的第一子伺服系统（71）、第二子伺服系统（72），第一子伺服系统（71）上设有第一外伸臂（16），第二子伺服系统（72）上设有第二外伸臂（10）；第一外伸臂（16）与第二外伸臂（10）相对设置，第一外伸臂（16）与第二外伸臂（10）之间设置试件（9）。
4.根据权利要求3所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述高温设备用于对所述试件（9）进行升温；所述高温设置包括高温炉（3），高温炉（3）包括两个空心的半圆柱形炉体，隔热毡（15）填充在两个半圆柱体炉体内，电阻丝（13）间隔排列镶嵌于隔热毡（15）内，两个炉体上设有相互配合的门闩（14）。
5.根据权利要求4所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述声发射检测系统包括相连接的声发射仪器（5）、声发射传感器（8），声发射传感器（8）用于采集热-力耦合作用下试件（9）的损伤产生的振动信号。
6.根据权利要求5所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述第一子伺服系统（71）位于第二子伺服系统（72）正上方；所述第二子伺服系统（72）设置在控制台（6）上，控制台上设置竖向设置的两根钢柱（1），两根钢柱（1）之间设置钢梁（2），第一子伺服系统（71）设置在钢梁（2）上。
7.根据权利要求6所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述高温炉（3）上连接有高温炉控制器（12）。
8.根据权利要求7所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述第一、二子伺服系统（71、72）内部分别排列有循环冷却水管（11）。
9.根据权利要求8所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述第一外伸臂（16）与第二外伸臂（10）相对端上设置所述高温炉（3）。
10.根据权利要求9所述的热-力耦合作用下建筑结构材料测试试验方法，其特征是，所述声发射传感器（8）运用凡士林作为耦合剂与第一子伺服系统（71）耦合连接，声发射传感器（8）靠近所述第一外伸臂（16）。
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