CN109142047B - 一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种火灾下梁‑板子结构抗倒塌性能的测试装置和方法，以钢筋混凝土框架结构中的梁‑板子结构作为研究对象，并将其安装到火灾试验炉上。在测试该结构抵抗倒塌性能的过程中，设置相应的边界条件用以模拟钢筋混凝土梁‑板子结构在实际结构中与周边结构的约束情况，并在结构上部的楼板表面施加均布荷载，从而来观察和记录钢筋混凝土梁‑板子结构中关键部位的位移、裂缝开展、板内钢筋受力情况和破坏模式等，充分掌握该类结构抵抗连续倒塌的能力。上述的一种火灾下梁‑板子结构抗倒塌性能的测试装置和方法，可以测得该类结构的耐火极限和极限承载力，从而可以掌握框架结构在火灾下的抗连续倒塌性能，为建立相应的抗火设计方法提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构防灾减灾技术领域。
背景技术
火灾引起的建筑倒塌事故发生的频率不高，但却是后果非常严重的事件，此类事故一旦发生，将给人们的生命财产安全带来巨大损失，社会、政治影响极为恶劣。
目前，国内外对建筑结构连续性倒塌的研究主要集中在常温下工作状态，而对火灾或高温下建筑结构的抗倒塌性能研究相对较少，且大都采用数值模拟的手段。为拓展掌握建筑结构抗倒塌性能的研究手段，本发明将聚焦在量大面广的钢筋混凝土框架结构遭遇火灾时的抗倒塌性能的试验研究技术，提出相应的试验装置和测试方法。由以往研究可知，钢筋混凝土框架结构中，钢筋混凝土梁-板所形成的子结构体系对维持结构的整体稳定性起到至关重要的作用。在遭遇火灾时，如果钢筋混凝土梁-板子结构体系中的传力路径发生中断或破坏，则钢筋混凝土框架结构发生连续性倒塌的可能性会急剧增长。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置和方法，观察和记录钢筋混凝土梁-板子结构中关键部位的位移、裂缝开展、板内钢筋受力情况和破坏模式等，充分掌握该类结构抵抗连续倒塌的能力。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置，包括：钢筋混凝土梁-板子结构、火灾试验炉；
所述钢筋混凝土梁-板子包括：钢筋混凝土板、多个竖向承重柱；所述竖向承重柱沿着厚度方向贯穿所述钢筋混凝土板，并且所述多个竖向承重柱中，有至少一个为失效的承重柱；所述多个竖向承重柱中，除了失效的承重柱外，其余的承重柱的两端分别外露于钢筋混凝土板的上下表面；所述失效的承重柱一端外露于钢筋混凝土板的上表面，另一端留空；
所述竖向承重柱的上部分别放置一个压力传感器，所述压力传感器远离竖向承重柱的一面与千斤顶顶抵设置；所述千斤顶远离压力传感器的一端与水平平衡梁抵接；所述水平平衡梁沿着钢筋混凝土板的长边方向设置；
所述钢筋混凝土板的上表面，沿着宽度方向设置有板上压梁，一螺栓穿过板上压梁和钢筋混凝土板后将二者固定连接；所述板上压梁远离钢筋混凝土板的一侧，设置有第一拉压传感器；所述钢筋混凝土板的沿着宽度方向的侧面，也设置有第二拉压传感器；
所述第二拉压传感器远离钢筋混凝土板的一侧与水平约束梁顶抵；所述水平约束梁沿着钢筋混凝土板的宽度方向设置；所述水平约束梁远离第二拉压传感器的一侧与水平反力架抵接。
本发明还提供了一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试方法，包括如下步骤：
1)先将支承框架吊装至火灾试验炉炉体内部；
2)吊装钢筋混凝土梁-板子至火灾试验炉上；所述钢筋混凝土梁-板子包括：钢筋混凝土板、多个竖向承重柱；所述竖向承重柱沿着厚度方向贯穿所述钢筋混凝土板，并且所述多个竖向承重柱中，有一个为失效的承重柱；所述多个竖向承重柱中，除了失效的承重柱外，其余的承重柱的两端分别外露于钢筋混凝土板的上下表面；所述失效的承重柱一端外露于钢筋混凝土板的上表面，另一端留空；
3)安装柱上约束系统；各个竖向承重柱的上端先布置1个压力传感器，再在压力传感器上安装千斤顶并进行固定；待安装完毕后，沿着钢筋混凝土板的长度方向，将每个千斤顶的上部调整至同一个水平面上；在千斤顶的上部设置一水平平衡梁；待水平平衡梁固定以后，再对千斤顶施加力而使加载头吐出，从而将整个柱上约束系统夹紧；
4)安装板边竖向约束系统；首先，将竖向连接件的长螺栓沿着钢筋混凝土板边缘处预留的孔洞穿过，竖向连接件的下部通过端螺栓和端板与试验炉的支撑结构的横梁进行固定；将钢筋混凝土板的2个竖向连接件均预安装完毕；
然后，再吊装板上压梁，使预先安装的2个连接件的长螺栓通过其上预留的孔洞；从而将板上压梁固定在钢筋混凝土板的上表面，并在压梁上布设穿心式第一拉压传感器用于监控板边的约束力变化过程；
最后，将拉压传感器上部的螺帽安装紧固，并将整个板边竖向约束系统的安装进行整体紧固，保持稳定性。
5)安装板边水平约束系统：在所述钢筋混凝土板的沿着宽度方向的侧面，设置有第二拉压传感器；将水平约束梁与水平反力架在适当的高度处安装定固定；然后，将拉压传感器的一端与板边的预埋连接装置进行固定，另一端则通过加工的不限制转动的连接件与水平约束梁相连；最后，通过调整约束系统中的螺栓6使得拉压传感器处于非受力状态；
6)火灾试验炉点火，并保证运行正常，按照预定的I SO834国际标准升温曲线或其他预设曲线；
7)对钢筋混凝土板施加竖向荷载，模拟钢筋混凝土梁-板子结构中柱子的真实受力情况采集系统采集各个数据测点的变化过程；观察试件上部的变化情况，用以分析试验的受力过程；
8)汇总试验数据，结合所得的试验现象，分析火灾下钢筋混凝土梁-板子结构考虑柱子失效时的受力状态，总结周边结构的约束作用，从而得到相关的结构抗倒塌设计方法和建议。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供了一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置和方法，以钢筋混凝土框架结构中的梁-板子结构作为研究对象，并将其安装到火灾试验炉上。在测试该结构抵抗倒塌性能的过程中，设置相应的边界条件用以模拟钢筋混凝土梁-板子结构在实际结构中与周边结构的约束情况，并在结构上部的楼板表面施加荷载，从而来观察和记录钢筋混凝土梁-板子结构中关键部位的位移、裂缝开展、板内钢筋受力情况和破坏模式等，充分掌握该类结构抵抗连续倒塌的能力。
因此，上述的一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置和方法，可以测得该类结构的耐火极限和极限承载力，从而可以掌握框架结构在火灾下的抗连续倒塌性能，为建立相应的抗火设计方法提供依据。
附图说明
图1为本发明优选实施例中钢筋混凝土梁-板子的结构示意图；
图2为本发明优选实施例中钢筋混凝土板上位移测点的分布图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明。
参考图1，一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置，包括：钢筋混凝土梁-板子、火宅试验炉；
所述钢筋混凝土梁-板子包括：钢筋混凝土板1、多个竖向承重柱2；所述竖向承重柱2沿着厚度方向贯穿所述钢筋混凝土板1，并且所述多个竖向承重柱2中，有至少一个为失效的承重柱；所述多个竖向承重柱2中，除了失效的承重柱外，其余的承重柱的两端分别外露于钢筋混凝土板1的上下表面；所述失效的承重柱一端外露于钢筋混凝土板1的上表面，另一端留空；
所述竖向承重柱2的上部分别放置一个压力传感器，所述压力传感器远离竖向承重柱2的一面与千斤顶3顶抵设置；所述千斤顶3远离压力传感器的一端与水平平衡梁4抵接；所述水平平衡梁4沿着钢筋混凝土板1的长边方向设置；
所述钢筋混凝土板1的上表面，沿着宽度方向设置有板上压梁5，一螺栓6穿过板上压梁5和钢筋混凝土板1后将二者固定连接；所述板上压梁5远离钢筋混凝土板1的一侧，设置有第一拉压传感器7；所述钢筋混凝土板1的沿着宽度方向的侧面，也设置有第二拉压传感器8；
所述第二拉压传感器8远离钢筋混凝土板1的一侧与水平约束梁9顶抵；所述水平约束梁9沿着钢筋混凝土板1的宽度方向设置；所述水平约束梁9远离第二拉压传感器8的一侧与水平反力架10抵接。
本实施例还提供了一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试方法，包括如下步骤：
1)设计并制作钢筋混凝土梁-板子结构试件。根据钢筋混凝土框架结构的柱网布置等，选定在遭遇火灾时某一层可能会失效的承重柱，再以周边板块区格共同作为研究对象，即为钢筋混凝土梁-板子结构试件。本实施例以底层边中柱失效的情况为例，说明本技术的实施过程。在此情况下，选定的研究试件外观如图1所示。在混凝土楼板的上、下各留一段小柱，并做加强处理，用以施加真实结构中所承载的荷载值，数值则取决于原型结构中该柱的竖向荷载设计值。失效柱的位置处，仅在板面上部预留小段柱，下部需要留空，用以留作后期试验的变形空间。
2)将支承框架11吊装至火灾试验炉炉体内部；支承框架11的结构如图2所示。需做底部稳固处理，保持支承框架11的水平(需通过水平尺做校核)。稳固后，将该框架的外部进行隔热处理，即包覆两道防火棉，优选为硅酸铝纤维毡；并用耐高温的钼丝绑扎，防止火灾下直接受火脱落而损失到框架结构，保证框架结构具有足够的承载力，使其承载力不下降或降低很少。
3)吊装钢筋混凝土梁-板子至火灾试验炉上；所述钢筋混凝土梁-板子包括：钢筋混凝土板1、多个竖向承重柱2；所述竖向承重柱2沿着厚度方向贯穿所述钢筋混凝土板1，并且所述多个竖向承重柱2中，有一个为失效的承重柱；所述多个竖向承重柱2中，除了失效的承重柱外，其余的承重柱的两端分别外露于钢筋混凝土板1的上下表面；所述失效的承重柱一端外露于钢筋混凝土板1的上表面，另一端留空；
3)安装柱上约束系统；各个竖向承重柱2的上端先布置1个压力传感器，再在压力传感器上安装千斤顶3并进行固定；待安装完毕后，沿着钢筋混凝土板1的长度方向，将每个千斤顶3的上部调整至同一个水平面上；在千斤顶3的上部设置一水平平衡梁4；待水平平衡梁4固定以后，再对千斤顶3施加力而使加载头吐出，从而将整个柱上约束系统夹紧；
4)安装板边竖向约束系统；首先，将竖向连接件的长螺栓6沿着钢筋混凝土板1边缘处预留的孔洞穿过，竖向连接件的下部通过端螺栓6和端板与试验炉的支撑结构的横梁进行固定；将钢筋混凝土板1的2个竖向连接件均预安装完毕；
然后，再吊装板上压梁5，使预先安装的2个连接件的长螺栓6通过其上预留的孔洞；从而将板上压梁5固定在钢筋混凝土板1的上表面，并在压梁上布设穿心式第一拉压传感器7用于监控板边的约束力变化过程；
最后，将拉压传感器上部的螺帽安装紧固，并将整个板边竖向约束系统的安装进行整体紧固，保持稳定性。
5)安装板边水平约束系统：在所述钢筋混凝土板1的沿着宽度方向的侧面，设置有三个第二拉压传感器8；将水平约束梁9与水平反力架10在适当的高度处安装定固定；然后，将拉压传感器的一端与板边的预埋连接装置进行固定，另一端则通过加工的不限制转动的连接件与水平约束梁9相连；最后，通过调整约束系统中的螺栓6使得拉压传感器处于非受力状态；
6)火灾试验炉点火，并保证运行正常，按照预定的I SO834国际标准升温曲线或其他预设曲线；
7)对钢筋混凝土板1施加竖向荷载，模拟钢筋混凝土梁-板子结构中柱子的真实受力情况采集系统采集各个数据测点的变化过程；观察试件上部的变化情况，用以分析试验的受力过程；
8)汇总试验数据，结合所得的试验现象，分析火灾下钢筋混凝土梁-板子结构考虑柱子失效时的受力状态，总结周边结构的约束作用，从而得到相关的结构抗倒塌设计方法和建议。
步骤7中，施加的试验荷载主要包括柱子上的集中荷载和楼板板面上的均布荷载。
柱子上的荷载：试件设计时，需将周边的竖向承重柱间距，需适应火灾试验炉的周边支承结构的尺寸，施加的外力大小为模拟实际结构中柱子所承担的荷载。该荷载数值的确定，需要根据整体框架结构设计的计算书，按照柱子选取的楼层位置来确定。
楼板板面上的荷载：需根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB 5009-2006)中办公楼活荷载确定，一般取值为2kN/m2，通过标准荷载块施加到板面上。
数据测点的布置，主要包括板厚上的温度测点、板面上的位移测点。具体如图2所示。
钢筋混凝土板1上的温度测点布置情况(T1～T11)，主要分布在两个板块区格上面，右侧区格的T1～T8为测试点，左侧区格的T9～T11为右侧的对称校核点。在每个测试点上，沿着板厚方向，遵循每隔20mm的原则布设一个热电偶测点，用以测试受火过程中的温度变化。另外，在梁的高度截面上，仍需遵循每隔20mm布设一个测点的热电偶，用以测试温度变化过程。其中，板厚方向和梁高度方向上的受力钢筋位置处，也需布设一个测点，用以测量受力钢筋的温度变化过程，S-1和S-2分别为板的上部和下部钢筋测点编号，S-3和S-4为梁高截面处上部和下部钢筋温度测点编号。
图2给出了钢筋混凝土板1上的位移变化情况，其中包括了板的平面外位移测点和平面内位移测点。平面外位移测点，主要布设在板面上，位置如图2所示。其中，V1和V9位于短跨跨中，V2和V8位于1/2板块的跨中，V3和V7进行相应的斜对角布置。另外，在小区格的中间各布设1个V4，V5，V6。平面内测点，主要分布在每个板边，在长边方向每边布设3个H2、H3、H4，H6、H7、H8，短边方向每边布设1个H1，H5。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试装置，其特征在于包括：钢筋混凝土梁-板子结构、火灾试验炉；
所述钢筋混凝土梁-板子结构包括：钢筋混凝土板、多个竖向承重柱；所述竖向承重柱沿着厚度方向贯穿所述钢筋混凝土板，并且所述多个竖向承重柱中，有至少一个为失效的承重柱；所述多个竖向承重柱中，除了失效的承重柱外，其余的承重柱的两端分别外露于钢筋混凝土板的上下表面；所述失效的承重柱一端外露于钢筋混凝土板的上表面，另一端留空；
所述竖向承重柱的上部分别放置一个压力传感器，所述压力传感器远离竖向承重柱的一面与千斤顶顶底设置；所述千斤顶远离压力传感器的一端与水平平衡梁连接；所述水平平衡梁沿着钢筋混凝土板的长边方向设置；
所述钢筋混凝土板的上表面，沿着宽度方向设置有连接件，一螺杆穿过板上连接件和钢筋混凝土板后将二者固定连接；所述板上连接件远离钢筋混凝土板的一侧，设置有第一拉压传感器；所述钢筋混凝土板的沿着宽度方向的侧面，也设置有第二拉压传感器；
所述第二拉压传感器远离钢筋混凝土板的一侧与水平约束梁连接；所述水平约束梁沿着钢筋混凝土板的宽度方向设置；所述水平约束梁远离第二拉压传感器的一侧与水平反力架抵接；
钢筋混凝土板上的温度测点分布在两个板块区格上面，右侧区格的为测试点，左侧区格的为右侧的对称校核点；在每个测试点上，沿着板厚方向，每隔20mm的原则布设一个热电偶测点，用以测试受火过程中的温度变化；在梁的高度截面上，每隔20mm布设一个测点的热电偶，用以测试温度变化过程；其中，板厚方向和梁高度方向上的受力钢筋位置处，也需布设一个测点，用以测量受力钢筋的温度变化过程。
2.一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
1)先将支承框架吊装至火灾试验炉炉体内部；
2)吊装钢筋混凝土梁-板子结构至火灾试验炉内支承框架上；所述钢筋混凝土梁-板子结构包括：钢筋混凝土板、多个竖向承重柱；所述竖向承重柱沿着厚度方向贯穿所述钢筋混凝土板，并且所述多个竖向承重柱中，有一个为失效的承重柱；所述多个竖向承重柱中，除了失效的承重柱外，其余的承重柱的两端分别外露于钢筋混凝土板的上下表面；所述失效的承重柱一端外露于钢筋混凝土板的上表面，另一端留空；
3)安装柱上约束系统；各个竖向承重柱的上端先布置1个千斤顶，再在千斤顶上安装压力传感器并进行固定；待安装完毕后，沿着钢筋混凝土板的长度方向，将每个千斤顶的上部调整至同一个水平面上；在千斤顶的上部设置一水平平衡梁；待水平平衡梁固定以后，再对千斤顶施加力而使加载头伸出，从而将整个柱上约束系统夹紧；
4)安装板边竖向约束系统；首先，将连接件对混凝土板试件进行夹紧，使连接件孔洞与试件预留孔洞对齐，将长螺杆沿着钢筋混凝土板边缘处预留的孔洞穿过，连接件的下部通过螺杆和端板与试验炉的支撑结构的横梁进行固定；将钢筋混凝土板的连接件均预安装完毕；
然后，再布设穿心式第一拉压传感器用于测量板边的约束力变化过程；使预先安装的2个连接件的长螺栓通过其上预留的孔洞；最后，将拉压传感器上部的螺帽安装紧固，并将整个板边竖向约束系统的安装进行整体紧固，保持稳定性；
5)安装板边水平约束系统：在所述钢筋混凝土板的沿着宽度方向的侧面，设置有第二拉压传感器；将连接件与水平反力架在适当的高度处安装定固定；然后，将拉压传感器的一端与板边的水平连接装置进行固定，另一端则通过加工的不限制转动的连接件与水平连接装置相连；最后，通过调整约束系统中的螺栓使得拉压传感器处于非受力状态；
钢筋混凝土板上的温度测点分布在两个板块区格上面，右侧区格的为测试点，左侧区格的为右侧的对称校核点；在每个测试点上，沿着板厚方向，每隔20mm的原则布设一个热电偶测点，用以测试受火过程中的温度变化；在梁的高度截面上，每隔20mm布设一个测点的热电偶，用以测试温度变化过程；其中，板厚方向和梁高度方向上的受力钢筋位置处，也需布设一个测点，用以测量受力钢筋的温度变化过程；
6)火灾试验炉点火，并保证运行正常，按照预定的ISO834国际标准升温曲线或其他预设曲线；
7)对钢筋混凝土板施加竖向荷载，模拟钢筋混凝土梁-板子结构中柱子的真实受力情况采集系统采集各个数据测点的变化过程；观察试件上部的变化情况，用以分析试验的受力过程；
8)汇总试验数据，结合所得的试验现象，分析火灾下钢筋混凝土梁-板子结构考虑柱子失效时的受力状态，总结周边结构的约束作用，从而得到相关的结构抗倒塌设计方法。
3.根据权利要求2所述的一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试方法，其特征在于：在步骤1中，支承框架的底部需稳固处理，保持支承框架的水平；稳固后，将支承框架的外部进行隔热处理，即包覆两道防火棉，用耐高温的钼丝绑扎。
4.根据权利要求3所述的一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试方法，其特征在于：在所述钢筋混凝土板的沿着宽度方向的侧面，设置有三个第二拉压传感器。
5.根据权利要求4所述的一种火灾下梁-板子结构抗倒塌性能的测试方法，其特征在于：所述防火棉为硅酸铝纤维毡。
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| 节点刚度对外伸端板连接钢框架结构抗连续倒塌性能的影响研究;李国华, 刁延松, 张绪闯 等;建筑科学;第34卷(第03期);全文 * |
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