CN108061667B - 一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，可以进行多种工况的受周边结构影响的钢‑混凝土组合楼盖抗火性能试验；支座反力测试构件可根据钢‑混凝土组合楼盖的位置灵活布置，能始终保证测试的支座反力为竖向力，能准确地反映火灾下板角处的翘曲力变化过程；本发明的试验数据，均实现计算机自动控制、自动采集，方便快捷；本发明的试验构件结合实际建筑中钢‑混凝土组合楼盖设计，更好地模拟现实中场景，试验数据误差小。
Description
技术领域
本发明涉及一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法。
背景技术
钢-混凝土组合楼盖是建筑结构中最重要的水平承重构件，不仅在多、高层建筑，甚至在超高层建筑中被普遍应用，是应用最为广泛的构件之一。目前，我国正处于经济快速发展时期，每年数十亿平方米的住宅和其他建筑不断建成。因此，研究整体结构中钢筋混凝土板，即钢-混凝土组合楼盖的火灾行为显得尤为重要，其研究成果必将对建筑结构抗火的性能化设计和指导消防救险工作有重要意义。
现有试验中，大多数火灾试验都是采用缩尺的且为单个建筑结构及构件进行的，由于尺寸效应、薄膜效应等的关系，所得建筑结构及构件在火灾下的性能指标与实际火灾下产生的性能指标与在整体结构中的足尺构件相比存在较大差别。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，解决了上述背景技术中不能研究受周边结构的影响、试验误差大等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，包括如下步骤：
(1)制作试验构件：
①选取9根型钢焊接形成钢架框，所述钢框架为六面体，包括水平设置的4根钢梁和竖直设置的4根钢柱，所述钢梁和钢柱为六面体的棱；还包括一中部次梁，所述中部次梁设置于试验构件的底面中轴线，两端分别与位于底面的两条平行钢梁固定连接；
②设置温度测量点，所述温度测量点分布于试验构件的底面，每个温度测量点垂直地布置有若干热电偶，用于测量混凝土板底面直接受火截面测点温度；所述中部次梁上也布置有若干热电偶，用于测量含钢梁截面测点温度；所述热电偶与数据采集系统连接；
③在试验构件底面的钢梁上浇筑混凝土，浇筑10-12h后以透水保湿材料覆盖，浇水养护，待混凝土达到预定强度后拆模完成混凝土板的制作；
(2)设置支撑构件：在试验炉所在处的外部架设反力架，在反力架与试验炉间架设支撑构件，所述支撑构件包括支撑梁和支撑柱，所述支撑柱与试验构件的钢柱设置于反力架底座间的地面，用于支撑钢柱；所述支撑梁架设于支撑柱之间；
(3)改造试验炉：在所述试验炉炉壁上方和试验炉内部设砌砖墙，所述砌砖墙设置于试验构件底面的钢梁内部，所述砌砖墙与混凝土板不接触设置，用于实现混凝土板底部和中部次梁受火工况；
(4)架设支座反力测试构件：在每一支撑梁上部架设支座反力测试构件，所述支座反力测试构件包括自上而下依次设置的用于测量柱内轴向力变化拉压传感器、控制拉压传感器方向的球铰和凹槽固定件；所述拉力传感器与数据采集系统连接；
(5)施加柱端载荷：将试验构件吊装于支座反力测试构件上方后，在钢柱与反力架间架设千斤顶，用于施加柱端的上部载荷；
(6)施加板面载荷：在混凝土板上设置板面载荷构件，所述板面载荷构件包括均匀设置于混凝土板上表面的木托架和放置于木托架上的载荷；
(7)安装位移计：在所述试验构件的底面钢梁中心线和/或对角线设置若干位移测点，所述位移计独立装置固定于各位移测点，并且位移计的探头与各位移测点所在的平面相垂直，所述位移计与数据采集系统连接；
(8)设置数据采集系统：所述数据采集系统的终端设置于试验炉外，通过导线与热电偶、位移计、支座反力测试构件连接，终端由计算机控制；
(9)进行试验：点火升温进行试验，试验过程中通过数据采集系统采集数据并存储于计算机中。
在本发明一较佳实施例中，步骤(1)之②中所述热电偶采用K型热电偶；所述试验构件内布置10个温度截面测点，包括分布于试验构件底面的8个直接受火截面测点和2个含钢梁截面测点。
在本发明一较佳实施例中，所述每个直接受火截面测点垂直地设置有6个用于测量混凝土板内温度的热电偶和2个用于测量钢筋温度的热电偶。
在本发明一较佳实施例中，所述每个含钢梁截面测点在混凝土板内垂直地设置有6个用于测量混凝土板内温度的热电偶和2个用于测量钢筋温度的热电偶；在次梁上设置有5个用于测量钢梁温度的热电偶。
在本发明一较佳实施例中，步骤(1)之③中所述透水保湿材料包括草帘。
在本发明一较佳实施例中，步骤(3)中所述砌砖墙的表面铺设有双层防火棉。
在本发明一较佳实施例中，步骤(6)中在所述混凝土板的上表面均匀划分区格，在每个区格上放置固定的木托架和相同数量的沙袋。
在本发明一较佳实施例中，步骤(7)中，试验构件的底面外采用高温位移计，设置11个位移测点，9个均匀布置在混凝土板的长度、宽度方向的中心线上，2个位于第二象限、第四象限的中心；底面内采用差动式位移计，设置4个位移测点，位于试验构件底面的混凝土板各边中部。
本发明中的钢-混凝土组合楼盖是由钢框架、钢筋混凝土板和抗剪连接件(比如栓钉)三部分组成。其中，根据《钢结构设计规范》(GB50017)进行钢框架设计，试验构件具有足够的强度和刚度保证结构的稳定性；钢筋混凝土板设计符合国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010)的要求，配置双层双向钢筋，钢筋在工地加工后然后进行绑扎，在绑扎的过程中保证具有规定的保护层厚度；钢梁与钢筋混凝土板利用抗剪连接件(比如栓钉)连接，使其形成整体工作。
为了准确模拟结构中钢-混凝土组合楼盖的性能，在各柱柱端使用千斤顶施加某恒定荷载，该荷载是由上部结构所传递荷载设计值确定。为了体现是在结构中，本发明设计了一个钢框架，作为约束框架用以约束钢筋混凝土板的变形，模拟真实结构中周边的边界情况。
火灾试验过程中为了测量试验构件内温度发展历程，试验构件内需埋设K型热电偶，热电偶安装在预先设计的部位，且不能影响试验构件的受力性能。
支座反力测试构件放置在试验炉外围支撑框架梁上，支座中的凹槽固定件可以较好控制构件的受力方向并始终保持竖向，支座反力测试构件内的拉压传感器测量试验过程中柱内轴向力的变化过程。
试验炉的各项参数需满足国家标准《建筑构件耐火试验方法》第1部分：通用要求(GB/T9978.1-2008)的要求。试验炉包括周围支撑钢梁、钢柱、炉壁、燃烧器、线路管道和计算机点火系统。试验炉的每个燃烧器处都设有风机、点火喷嘴、天然气进口，燃烧过程中将试验过程中产生的烟气通过烟道排出。计算机点火系统可控制点火喷嘴，试验炉外壁上留有高温摄像头可观测构件破坏变化。
本发明中钢-混凝土组合楼盖板面的活荷载根据试件的使用类型按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)施加。为了准确模拟均布加载，在混凝土板顶上划分一定数量的区格，在每个区格内放置预设重量的载荷，如沙袋，以吻合前述的活荷载标准值。试验前对沙袋进行晾晒并准确称量，用以模拟均布加载情况。试验在每个沙袋与混凝土板中间放置木托架，目的是为了在试验过程中利于试验构件散热，在混凝土板上表面与沙袋之间形成间隔。
利用计算机点火控制系统来控制炉内温度，按照预定的升温曲线(比如ISO834国际标准升温曲线)开始升温；同时，运行试验构件的数据采集系统进行相关数据采集、存储。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明可以进行多种工况的受周边结构影响的钢-混凝土组合楼盖抗火性能试验。
2.支座反力测试构件可根据钢-混凝土组合楼盖的位置灵活布置，能始终保证测试的支座反力为竖向力，能准确地反映火灾下板角处的翘曲力变化过程。
3.本发明的试验数据，均实现计算机自动控制、自动采集，方便快捷。
4.本发明的试验构件结合实际建筑中钢-混凝土组合楼盖设计，更好地模拟现实中场景，试验数据误差小。
5.本发明的试验炉，能够利用自动控制系统，调节炉温实时变化，使得炉内温度能高精度的吻合ISO834标准升温曲线或其它相关曲线。
附图说明
图1为一种组合楼盖抗火性能的测试装置结构示意图。
图2为混凝土组合楼盖平面图。
图3为混凝土组合楼盖立面图。
图4为温度测点布置图。
图5为温度测点内热电偶布置图。
图6为支座反力测试构件结构示意图。
图7为上连接板立面图。
图8为上连接板平面图。
图9为拉压传感器结构示意图。
图10为球铰结构示意图。
图11为下连接板上板与凹槽固定件立面图。
图12为下连接板上板与凹槽固定件平面图。
图13为下连接板下板平面图。
图14为混凝土板上表面区格示意图。
图15为板面载荷结构示意图。
图16为位移计布置图。
图17为试验炉改造平面图。
具体实施方式
请查阅图1-16，本实施例的一种组合楼盖抗火性能的测试装置，包括试验炉9、反力架1、试验构件3、支座反力测试构件5、支撑构件7、数据采集系统；所述反力架1架设于试验炉9外部，所述试验构件3、支座反力测试构件5、支撑构件7由上而下设置于试验炉9与反力架之间，所述数据采集系统的终端设置于试验炉9外；
如图2-3，所述试验构件3包括钢框架和混凝土板35；所述钢框架为六面体，包括水平设置的钢梁33和竖直设置的钢柱31，所述钢梁33和钢柱31为六面体的棱；所述试验构件3还包括一中部次梁37，所述中部次梁37设置于试验构件3的底面钢梁33中部，两端分别与位于底面的两条平行钢梁33固定连接；所述混凝土板35设置于底面的钢梁33和中部次梁37上，所述混凝土板35内埋设有用于测量温度的热电偶，所述热电偶与数据采集系统连接；如图16，所述试验构件3上装设有位移计，所述位移计与数据采集系统连接；钢柱31与反力架1间设有千斤顶2；如图14-15，本发明装置还包括板面载荷构件，所述板面载荷构件包括均匀设置于混凝土板35上表面的木托架351和放置于木托架351上的沙袋353。
所述支撑构件7包括支撑梁73和支撑柱，所述支撑柱与试验构件3的钢柱31设置于试验炉9外反力架底座间的地面，用于支撑钢柱31；所述支撑梁73架设于支撑柱之间；
如图6，所述支座反力测试构件5设置于支撑柱与钢柱31之间；包括自上而下依次设置的用于测量柱内轴向力变化的拉压传感器53、控制拉压传感器方向的球铰55和凹槽固定件57；所述拉力传感器与数据采集系统连接；
在所述试验炉9炉壁上方和试验炉9内部设砌砖墙91，，所述砌砖墙91设置于试验构件3底面的钢梁33内部，所述砌砖墙91与混凝土板35不接触设置，用于实现混凝土板35底部和中部次梁37受火工况；
所述数据采集系统用于采集包括温度、位移和支座反力数据。
如图4-5，所述混凝土板35内部设置有若干温度测量点，每个温度测量点垂直地布置有若干热电偶，用于测量混凝土板35底面直接受火截面测点温度；所述中部次梁37上也布置有若干热电偶，用于测量含钢梁33截面测点温度。
所述试验构件3的底面钢梁33中心线和/或对角线设有若干位移测点，所述位移测点布置有高温位移计或差动式位移计。
如图6-13，所述支座反力测试构件5还包括用于连接板试件构件的上连接板51和用于连接支撑构件7的下连接板59；所述上连接板51与钢柱31的下端板锁接，所述上连接板51中心设有螺杆；所述下连接板59包括两块平行间隔设置的矩形板，所述两矩形板将支撑梁73夹于其中并通过高强螺栓锁接。所述拉压传感器53的顶部和底部均设有内螺纹；所述上连接板51中心设有螺杆，通过螺杆与拉压传感器53的顶部锁接。所述球铰55包括一设有外螺纹的凸部及凸部下设的半球体；所述拉压传感器53与凸部锁接。所述凹槽固定件57固定于下连接板59的上表面，所述凹槽固定件57上开设有与半球体形状相适配的凹槽。所述球铰55与凹槽固定件57间涂抹有润滑油。
基于上述测量装置的实现方法，包括如下步骤：
(1)制作试验构件3：
①根据国家相关标准设计制作了钢-混凝土组合楼盖。按照图2和图3所示进行钢框架的焊接、钢筋绑扎。具体地，选取9根型钢焊接形成钢架框，所述钢框架为六面体，包括水平设置的4根钢梁33和竖直设置的4根钢柱31，所述钢梁33和钢柱31为六面体的棱；还包括一中部次梁37，所述中部次梁37设置于试验构件3的底面中轴线，两端分别与位于底面的两条平行钢梁33固定连接；
②设置温度测量点，所述温度测量点分布于试验构件3的底面，每个温度测量点垂直地布置有若干热电偶，用于测量混凝土板35底面直接受火截面测点温度；所述中部次梁37上也布置有若干热电偶，用于测量含钢梁33截面测点温度；所述热电偶与数据采集系统连接；
所述试验构件3内布置10个温度截面测点，包括分布于试验构件3底面的8个直接受火截面测点T1-T8和2个含钢梁33截面测点T9-T10。所述每个直接受火截面测点垂直地设置有6个用于测量混凝土板35内温度的热电偶和2个用于测量钢筋温度的热电偶。所述每个含钢梁33截面测点在混凝土板35内垂直地设置有6个用于测量混凝土板35内温度的热电偶和2个用于测量钢筋温度的热电偶；在次梁上设置有5个用于测量钢梁温度的热电偶。如图4和图5，T1-T8温度测量点共埋设8个热电偶，其中标号1-6测混凝土板35内温度、S-1和S-2测量钢筋温度；T9、T10埋设有13个热电偶，其中标号1-6测混凝土板35内温度、S-1和S-2测量钢筋温度、7-11测量中部次梁37温度。所述热电偶采用K型热电偶，热电偶均为同一型号，绑扎过程中要绑紧扎牢，防止混凝土浇筑过程中振捣棒震动使其发生偏移。火灾试验时热电偶在有效的工作范围内进行温度数据的量测。
③在试验构件3底面的钢梁33上浇筑混凝土，浇筑10-12h后以透水保湿材料覆盖，如草帘，浇水养护，保证混凝土具有水泥水化作用所需的温度和湿度条件；待混凝土达到预定强度后拆模，模板拆卸日期，按结构特点和混凝土所达强度来确定。
(2)设置支撑构件7：在试验炉9所在处的外部架设反力架1，在反力架1与试验炉9间架设支撑构件7，所述支撑构件7包括支撑梁73和支撑柱，所述支撑柱与试验构件3的钢柱31同轴设置于反力架底座间的地面，用于支撑钢柱31；所述支撑梁73架设于支撑柱之间；
(3)改造试验炉9：一般情况下，试验炉9的尺寸与试件尺寸不符，需对试验炉9加以改造。改造后的试验炉9尺寸需与试验构件3四周尺寸吻合并符合密封性的要求，以防漏火。改造主要是通过在所述试验炉9炉壁上方和试验炉9内部设砌砖墙91，所述砌砖墙91设置于试验构件3底面的钢梁33内部，所述砌砖墙91与混凝土板35不接触设置，用于实现混凝土板35底部和中部次梁37受火工况；所砌砖墙91与试验构件3留有一定距离，为钢筋混凝土楼板提供足够的变形空间。所述砌砖墙91的外表面铺设有双层防火棉，并且砖墙与楼盖预留空隙处铺满防火棉。目的是防止试验时漏火，造成能源浪费和试验设备损坏。
(4)架设支座反力测试构件5：在每一支撑梁73上部架设支座反力测试构件5，所述支座反力测试构件5包括自上而下依次设置的用于测量柱内轴向力变化的拉压传感器53、控制拉压传感器方向的球铰55和凹槽固定件57；所述拉力传感器与数据采集系统连接；
请查阅图6-13，根据钢-混凝土组合楼盖的形式确定所选用合适的支座形式。在吊装组合楼盖之前，先将图11-13中下连接板59有高强螺栓固定于支撑梁73上，球铰55、拉压传感器53两者紧固相连后，球铰55与凹槽固定件57通过形状切口吻合。拉压传感器53与上连接板51通过连接螺杆拧紧固定后，上连接板51与钢柱31的端板锁接，提供足够的约束，以满足试验的要求。
拉压传感器53用来测量柱内轴向力的变化。在球铰55和凹槽固定件57之间涂抹润滑油，以保证支座转动的灵活性。上连接板51、下连接板59预留的长形孔洞，以此来防止装配误差，便于能够顺利安装，同时又保证了连接件在摩擦变形失效后具有一定的变形空间。
(5)施加柱端载荷：将试验构件3吊装于支座反力测试构件5上方后，在钢柱与试验炉91的反力架1间架设千斤顶2，用于施加柱端的上部载荷；整体结构示意如图1。
(6)施加板面载荷：如图14-15，在混凝土板35上设置板面载荷构件，所述板面载荷构件包括均匀设置于混凝土板35上表面的木托架351和放置于木托架351上的载荷；混凝土板35面与沙袋353之间的木托架351起到间隔作用，有利于板面散热。在所述混凝土板35的上表面均匀划分区格，在每个区格上放置固定的木托架351和相同数量的沙袋353。以办公楼为例，取2kN/m2的均布荷载。为了准确模拟均布加载，在混凝土板35顶上划分一定数量的区格，每个区格的面积大约为1m2,在每个区格内放置5个沙袋353每袋重40Kg，以吻合前述的活荷载标准值。
(7)安装位移计：在所述试验构件3的底面钢梁33中心线和/或对角线设置若干位移测点，所述位移计独立装置固定于各位移测点，并且位移计的探头与各位移测点所在的平面相垂直，所述位移计与数据采集系统连接；具体的如图16所示，试验构件3的底面外采用高温位移计(LVDT)，设置11个位移测点，9个均匀布置在混凝土板35的长度、宽度方向的中心线上(编号1-6、8-9、11)，2个位于第二象限、第四象限的中心(编号7、10)；底面内采用差动式位移计，设置4个位移测点，位于试验构件3底面的混凝土板35各边中部(编号12-15)。
(8)设置数据采集系统：所述数据采集系统的终端设置于试验炉9外，通过导线与热电偶、位移计、支座反力测试构件5连接，终端由计算机控制；各个接线连接调试后进行采集。
(9)进行试验：点火升温进行试验，试验过程中通过数据采集系统采集数据并存储于计算机中。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制作试验构件：
①选取9根型钢焊接形成钢框架，所述钢框架为六面体，包括水平设置的4根钢梁和竖直设置的4根钢柱，所述钢梁和钢柱为六面体的棱；还包括一中部次梁，所述中部次梁设置于试验构件的底面中轴线，两端分别与位于底面的两条平行钢梁固定连接；
②设置温度测量点，所述温度测量点分布于试验构件的底面，每个温度测量点垂直地布置有若干热电偶，用于测量混凝土板底面直接受火截面测点温度；所述中部次梁上也布置有若干热电偶，用于测量含钢梁截面测点温度；所述热电偶与数据采集系统连接；
③在试验构件底面的钢梁上浇筑混凝土，浇筑10-12h后以透水保湿材料覆盖，浇水养护，待混凝土达到预定强度后拆模完成混凝土板的制作；
(2)设置支撑构件：在试验炉所在处的外部架设反力架，在反力架与试验炉间架设支撑构件，所述支撑构件包括支撑梁和支撑柱，所述支撑柱与试验构件的钢柱设置于反力架底座间的地面，用于支撑钢柱；所述支撑梁架设于支撑柱之间；
(3)改造试验炉：在所述试验炉炉壁上方和试验炉内部设砌砖墙，所述砌砖墙设置于试验构件底面的钢梁内部，所述砌砖墙与混凝土板不接触设置，用于实现混凝土板底部和中部次梁受火工况；
(4)架设支座反力测试构件：在每一支撑梁上部架设支座反力测试构件，所述支座反力测试构件包括自上而下依次设置的用于测量柱内轴向力变化拉压传感器、控制拉压传感器方向的球铰和凹槽固定件；所述拉压传感器与数据采集系统连接；
(5)施加柱端载荷：将试验构件吊装于支座反力测试构件上方后，在钢柱与反力架间架设千斤顶，用于施加柱端的上部载荷；
(6)施加板面载荷：在混凝土板上设置板面载荷构件，所述板面载荷构件包括均匀设置于混凝土板上表面的木托架和放置于木托架上的载荷；
(7)安装位移计：在所述试验构件的底面钢梁中心线和/或对角线设置若干位移测点，所述位移计独立装置固定于各位移测点，并且位移计的探头与各位移测点所在的平面相垂直，所述位移计与数据采集系统连接；
(8)设置数据采集系统：所述数据采集系统的终端设置于试验炉外，通过导线与热电偶、位移计、支座反力测试构件连接，终端由计算机控制；
(9)进行试验：点火升温进行试验，试验过程中通过数据采集系统采集数据并存储于计算机中。
2.根据权利要求1所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：步骤(1)之②中所述热电偶采用K型热电偶；所述试验构件内布置10个温度截面测点，包括分布于试验构件底面的8个直接受火截面测点和2个含钢梁截面测点。
3.根据权利要求2所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：所述每个直接受火截面测点垂直地设置有6个用于测量混凝土板内温度的热电偶和2个用于测量钢筋温度的热电偶。
4.根据权利要求2所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：所述每个钢梁截面测点在混凝土板内垂直地设置有6个用于测量混凝土板内温度的热电偶和2个用于测量钢筋温度的热电偶；在次梁上设置有5个用于测量钢梁温度的热电偶。
5.根据权利要求1所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：步骤(1)之③中所述透水保湿材料包括草帘。
6.根据权利要求1所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：步骤(3)中所述砌砖墙的表面铺设有双层防火棉。
7.根据权利要求1所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：步骤(6)中在所述混凝土板的上表面均匀划分区格，在每个区格上放置固定的木托架和相同数量的沙袋。
8.根据权利要求1所述的一种组合楼盖抗火性能的测试装置实现方法，其特征在于：步骤(7)中，试验构件的底面外采用高温位移计，设置11个位移测点，9个均匀布置在混凝土板的长度、宽度方向的中心线上，2个位于第二象限、第四象限的中心；底面内采用差动式位移计，设置4个位移测点，位于试验构件底面的混凝土板各边中部。
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