CN111537255B - 一种受弯构件真实火灾试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种受弯构件真实火灾试验装置及试验方法，该装置包括火源模拟装置、受弯构件加载装置及数据采集装置，受弯构件加载装置包括两端分别接第一和第二下侧边梁的下横梁和两端分别接第一和第二上侧边梁的上横梁；第一上侧边梁和第一下侧边梁的两端螺接第一和第二螺杆，中间螺接第三螺杆；第二上侧边梁和第二下侧边梁的两端螺接第四和第五螺杆，中间螺接第六螺杆；螺接处的各螺杆上设旋紧螺母，螺母与第一和第二上侧边梁间选择性设压力传感器；搭在下横梁上的底梁两端设供受弯构件安放的第一和第二支撑位；分配梁安于受弯构件上部，其一端铰支受弯构件，另端与受弯构件间有滚轴；上横梁位于分配梁上方；火源安放于下横梁下方位。

Description

一种受弯构件真实火灾试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及火灾试验技术领域，具体涉及一种受弯构件真实火灾试验装置及其试验方法。

背景技术

据消防年鉴统计，2019年全年共接报火灾23.3万起，伤亡2172人，直接财产损失36.12亿元，可见火灾给社会带来了重大的人员伤亡和经济损失。2001年的美国“9.11”事件中，纽约世贸中心两座110层411m高的钢结构大楼因飞机撞击后发生的火灾而倒塌，引起了世界各国对结构抗火问题的高度重视。而由于火灾下结构热力耦合性能的复杂性，火灾试验是各国学者研究结构抗火问题的重要手段。

火灾的发展过程及其严重程度，取决于可燃材料的数量与分布、房间的通风状况以及房间的大小、形状与热工性能等多种因素。但为了统一和便于比较评判结构的抗火性能，目前，通常采用标准火灾升温曲线简化模拟实际火灾对结构的作用，具体采用火灾试验炉，是密闭空间，通过控制密闭空间内燃气量、炉内压力、炉内空气等进一步来控制炉内的升温曲线，进而模拟火灾作用。

其中，受弯构件的试验炉尺寸通常在4.0m×5.0m×1.5m。然而，标准火灾试验炉仅能模拟室内火灾轰燃后构件的行为，以及仅能模拟构件在火灾升温过程的物理行为，且构件基本处于均匀受火状态，测得的物理行为与真实火灾下构件的行为存在较大差异。越来越多的学者开始关注真实火灾下结构的性能。另一方面大型试验炉建造费用昂贵，使用条件限制较多。

因此，需要研发一种真实火灾试验装置，以准确方便地模拟受弯构件受真实火灾作用的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种能模拟受弯构件真实火灾作用下物理行为的试验装置。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种受弯构件真实火灾试验装置，包括火源模拟装置、受弯构件加载装置以及数据采集装置，其特点为，

所述受弯构件加载装置包括：

一下横梁，所述下横梁两端分别固定连接于第一下侧边梁的中间段和第二下侧边梁的中间段；

所述第一下侧边梁的两端分别连接于一竖直的第一螺杆的下端和一竖直的第二螺杆的下端，中间端连接于一竖直的第三螺杆的下端；相应的，在所述第一下侧边梁的上部位设有一第一上侧边梁，所述第一上侧边梁的两端分别与所述第一螺杆的上端和所述第二螺杆的上端螺纹连接，所述第一上侧边梁的中间端与所述第三螺杆的上端螺纹连接；各螺纹连接处上端的螺杆杆体上设置有旋紧螺母，该旋紧螺母与所述第一上侧边梁间的所述各螺杆杆体上选择性套设有可拆卸的穿心式压力传感器；

所述第二下侧边梁的两端分别连接于一竖直的第四螺杆的下端和一竖直的第五螺杆的下端，中间端连接于一竖直的第六螺杆的下端；相应的，在所述第二下侧边梁的上部位设有一第二上侧边梁，所述第二上侧边梁的两端分别与所述第四螺杆的上端和所述第五螺杆的上端螺纹连接，所述第二上侧边梁的中间端与所述第六螺杆的上端螺纹连接；各螺纹连接处上端的螺杆杆体上设置有旋紧螺母，该旋紧螺母与所述第二上侧边梁间的所述各螺杆杆体上选择性套设有可拆卸的穿心式压力传感器；和

一上横梁，所述上横梁两端分别固定连接于所述第一上侧边梁的中间段和所述第二上侧边梁的中间段；

以及，

一水平搭放在所述下横梁上的底梁，所述底梁的两端分别悬置于所述下横梁的两侧；所述底梁的两端设置有凸出底梁梁体上部的第一支撑位和第二支撑位；待测试的受弯试件的两端分别安放于所述第一支撑位和第二支撑位上；还包括

一用于接纳和分配来源于所述上横梁荷载的分配梁安放于所述受弯试件上部，所述分配梁的走向与所述受弯试件的走向大致一致，所述上横梁位于所述分配梁的上方位；所述分配梁的一端与所述受弯试件铰支连接，另一端与所述受弯试件间垫放有滚轴，所述滚轴的轴向与所述受弯试件的走向相垂直；

其中，所述火源模拟装置的火源安放于所述下横梁下方位。

作为本技术方案的进一步改进，所述火源模拟装置的火源位于一敞开式或半敞开式空间。

也作为本技术方案的进一步改进，所述受弯构件加载装置的各组成构件为耐火钢件且表面包裹有防火棉。

作为本发明的优选实施例之一，固定于所述底梁两端的第一支座块和第二支座块形成所述第一支撑位和第二支撑位。

也作为本发明的优选实施例之一，所述下横梁与所述底梁垂直布置。

还作为本技术方案的进一步改进，所述第一螺杆、第二螺杆、第四螺杆和第五螺杆的下端固定于一底座支架上，所述火源安放于所述底座支架内。

进一步，所述火源优选为燃气火源。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述试验装置的受弯构件真实火灾试验方法，其特点为，包括如下步骤：

1)、根据测试目的设计火源的热释放速率曲线，根据热释放速率曲线要求控制火源大小以及第一下侧边梁和第二下侧边梁竖直方向距离火源的距离；

2)、在测试的受弯试件上布置热电偶，将测试件放置在上横梁与下横梁之间的所述设定位置，逐渐拧紧第一螺杆、第二螺杆、第四螺杆和第五螺杆杆体上所设置的相应旋紧螺母，确认各螺杆杆体上套设的穿心式压力传感器的读数达到设计荷载；

然后，逐渐拧紧第三螺杆和第六螺杆杆体上所设置的旋紧螺母，直至所述穿心式压力传感器的读数为零；

取下第一螺杆、第二螺杆、第四螺杆和第五螺杆杆体上所设置的所述穿心式压力传感器；

3)、将试验装置就位，确认受弯试件外的各组成构件处于保护状态；

4)、布置数据采集装置；

5)、点火开始试验，直至试验结束。

进一步，步骤1)中，通过调整各垂直螺杆与所述第一下侧边梁和第二下侧边梁间的相对位置来控制所述第一下侧边梁和第二下侧边梁垂直距离火源的距离。

采用上述技术方案的受弯构件真实火灾试验装置及其试验方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的真实火灾试验装置可模拟受弯构件在火灾初期增长阶段、全盛阶段和衰退阶段的真实火灾发展全过程的物理行为，且试验装置成本低，使用方便，可满足真实火灾试验的要求，研究成果可为受弯构件真实火灾下结构性能分析提供科学依据。

附图说明

图1为本发明受弯构件真实火灾试验装置的结构示意图；

图2为本发明受弯构件真实火灾试验装置加载过程示意图；

图3为本发明中火源模拟装置的结构示意图；

图4为本发明中自平衡加载装置的结构示意图；

图中：1——燃烧器，2——燃气管道，3——点火系统，4——燃气流量阀，5——上横梁，6——下横梁，7、27——中间螺杆，8、18、28、38——螺杆，9——分配梁，10——上侧边梁，11、21——下侧边梁，12——底梁，13——底部框架，14——受弯试件，15、25——支座，16、26——拧紧螺母，17——荷载传感器，19——位移计，30——滚轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

本发明提供了一种受弯构件真实火灾试验装置，由火源模拟装置、自平衡加载装置和数据采集装置组成，通过实时记录的燃气流量变化计算火源的热释放速率，通过自平衡钢架实现火灾试验过程的恒定加载。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

木梁(受弯试件14)的长度为3.0米，截面尺寸为0.2×0.4米。

参照附图1～图4所示的受弯构件真实火灾试验装置，是由火源模拟装置、自平衡加载装置和数据采集装置组成，所述的火源模拟装置由燃烧器1、燃气管道2、点火系统3和燃气流量阀4组成，通过燃气管道2向燃烧器1供给燃烧用燃料，采用燃气流量阀4实施监测并控制燃气的流量。

所述的自平衡加载装置由上横梁5、下横梁6、两侧的中间螺杆7和27、四侧的螺杆(8、18、28和38)、分配梁9、上侧边梁10和20、下侧边梁11和21、底梁12和底部框架13组成自平衡框架，受弯试件14的两端通过支座15和25搁置在底梁12上，上横梁5的荷载通过分配梁9施加在受弯试件14上，分配梁9与受弯试件14间在加载点处分别设置铰支(铰接支点)和滚轴支座(即滚轴30)。分配梁与受弯试件的走向大致一致。

上横梁5与两侧的上侧边梁10和20焊接在一起，下横梁6与两侧的下侧边梁11和21焊接在一起，中间螺杆7穿过上侧边梁10和下侧边梁11，并用拧紧螺母16控制与上侧边梁10的旋紧程度；中间螺杆27穿过上侧边梁20和下侧边梁21，并用拧紧螺母16控制与上侧边梁20的旋紧程度。

螺杆8和18穿过上侧边梁10和下侧边梁11和底部框架13连接，并通过拧紧螺母26与上侧边梁10、下侧边梁11和底部框架13分别连接；螺杆28和38穿过上侧边梁20和下侧边梁21和底部框架13连接，并通过拧紧螺母26与上侧边梁20、下侧边梁21和底部框架13分别连接。其中，上侧边梁10上部的螺杆8和18上套设有荷载传感器17，荷载传感器17位于拧紧螺母26和上侧边梁10之间，荷载传感器17为中空的可套设在螺杆上的穿心式压力传感器，其可拆卸的套设在螺杆杆体上。类似的，上侧边梁20上部的螺杆28和38上也套设有同样的荷载传感器17。

所述的数据采集装置由热释放速率采集仪、位移计19、热电偶、数码摄像机组成，热释放速率采集仪与燃气流量阀4相连，通过实时记录的燃气流量变化计算火源热释放速率，多个位移计19布置在受弯试件14的不同位置，以实时记录试件的位移，热电偶布置在试件不同位置以实时记录试件的温度，数码摄像机设置在试件3m距离处以实时记录试件各个阶段的图像。

火灾模拟装置的燃气流量根据设计火源智能控制，燃气管道为可移动软管，燃料储存在燃料供给房内或直接采用城市燃气管道中的燃气。相对于现有技术中相对封闭的炉内模拟火源，本技术方案的火源处于敞开式或半敞开式结构状态。

下侧边梁11和21与底部框架13之间的距离可根据火源的尺寸调整，例如通过调整四侧螺杆的进给位置来实现。

火灾试验前，两侧的中间螺杆7和27上部的拧紧螺母16处于放松状态，由于螺杆8和18上部的拧紧螺母26与上侧边梁10之间布置有荷载传感器17，螺杆28和38上部的拧紧螺母26与上侧边梁20之间也布置有荷载传感器17，拧紧螺杆8、18、28和38上部相应螺杆上的拧紧螺母26，直至荷载传感器读数达到设计荷载，然后，逐渐拧紧中间螺杆7和17上部的拧紧螺母16，直至荷载传感器17读数为零，放松四侧的螺杆(8、18、28和38)上部的拧紧螺母26，取出套设在螺杆上的荷载传感器17，以避免火灾模拟时损坏荷载传感器。

上横梁5、下横梁6、中间螺杆7和27、四侧的螺杆(8、18、28和38)、分配梁9、上侧边梁10和20、下侧边梁11和21、底梁12和底部框架(13)材质为耐火钢，火灾试验时采用防火棉包裹。

具体的测试操作流程如下：

(1)根据测试目的设计火源的热释放速率曲线，根据热释放速率曲线要求确定燃气流量以及下侧边梁和底部框架之间的距离，例如通过旋紧四侧螺杆与下侧边梁间的定位螺母来实现；

(2)在测试件上布置热电偶，将测试件放置在上横梁与下横梁之间，通过拧紧四侧螺杆与上侧边梁间的拧紧螺母(图中的标号为26)，直至荷载传感器读数达到设计荷载。然后，逐渐拧紧中间螺杆上部的拧紧螺母(图中的标号为16)，直至荷载传感器读数为零，放松四侧螺杆上部的拧紧螺母26，卸下荷载传感器。

(3)将试验装置就位，采用防火棉包裹上横梁、下横梁、中间螺杆、四侧螺杆、分配梁、上侧边梁、下侧边梁、底梁和底部框架。

(4)布置位移计，将位移计、热电偶、燃气流量阀与采集仪连接，布置数码摄像机。

(5)点火开始试验，直至试验结束。

本发明提供的真实火灾试验装置可模拟受弯构件在火灾初期增长阶段、全盛阶段和衰退阶段的真实火灾发展全过程的物理行为，且试验装置成本低，使用方便，可满足真实火灾试验的要求，研究成果可为受弯构件真实火灾下结构性能分析提供科学依据。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应该属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.采用受弯构件真实火灾试验装置的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、根据测试目的设计火源的热释放速率曲线，根据热释放速率曲线要求控制火源大小以及第一下侧边梁(11)和第二下侧边梁(21)竖直方向距离火源的距离；

2)、在测试的受弯试件上布置热电偶，将测试件放置在上横梁(5)与下横梁(6)之间的设定位置，逐渐拧紧第一螺杆(8)、第二螺杆(18)、第四螺杆(28)和第五螺杆(38)杆体上所设置的相应旋紧螺母，确认各螺杆杆体上套设的穿心式压力传感器的读数达到设计荷载；

然后，逐渐拧紧第三螺杆(7)和第六螺杆(27)杆体上所设置的旋紧螺母，直至所述穿心式压力传感器的读数为零；

取下第一螺杆(8)、第二螺杆(18)、第四螺杆(28)和第五螺杆(38)杆体上所设置的所述穿心式压力传感器；

3)、将试验装置就位，确认受弯构件外的各组成构件处于保护状态；

4)、布置数据采集装置；

5)、点火开始试验，直至试验结束；

其中，

所述受弯构件真实火灾试验装置，包括火源模拟装置、受弯构件加载装置以及数据采集装置，

所述受弯构件加载装置包括：

一下横梁(6)，所述下横梁(6)两端分别固定连接于第一下侧边梁(11)的中间段和第二下侧边梁(21)的中间段；

所述第一下侧边梁(11)的两端分别连接于一竖直的第一螺杆(8)的下端和一竖直的第二螺杆(18)的下端，中间端连接于一竖直的第三螺杆(7)的下端；相应的，在所述第一下侧边梁(11)的上部位设有一第一上侧边梁(10)，所述第一上侧边梁(10)的两端分别与所述第一螺杆(8)的上端和所述第二螺杆(18)的上端螺纹连接，所述第一上侧边梁(10)的中间端与所述第三螺杆(7)的上端螺纹连接；各螺纹连接处上端的螺杆杆体上设置有旋紧螺母，该旋紧螺母与所述第一上侧边梁(10)间的所述各螺杆杆体上选择性套设有可拆卸的穿心式压力传感器；

所述第二下侧边梁(21)的两端分别连接于一竖直的第四螺杆(28)的下端和一竖直的第五螺杆(38)的下端，中间端连接于一竖直的第六螺杆(27)的下端；相应的，在所述第二下侧边梁(21)的上部位设有一第二上侧边梁(20)，所述第二上侧边梁(20)的两端分别与所述第四螺杆(28)的上端和所述第五螺杆(38)的上端螺纹连接，所述第二上侧边梁(20)的中间端与所述第六螺杆(27)的上端螺纹连接；各螺纹连接处上端的螺杆杆体上设置有旋紧螺母，该旋紧螺母与所述第二上侧边梁(20)间的所述各螺杆杆体上选择性套设有可拆卸的穿心式压力传感器；和

一上横梁(5)，所述上横梁(5)两端分别固定连接于所述第一上侧边梁(10)的中间段和所述第二上侧边梁(20)的中间段；

以及，

一水平搭放在所述下横梁(6)上的底梁(12)，所述底梁(12)的两端分别悬置于所述下横梁(6)的两侧；所述底梁(12)的两端设置有凸出底梁梁体上部的第一支撑位(15)和第二支撑位(25)；待测试的受弯试件(14)的两端分别安放于所述第一支撑位(15)和第二支撑位(25)上；还包括

一用于接纳和分配来源于所述上横梁(5)荷载的分配梁(9)安放于所述受弯试 件(14)上部，所述分配梁(9)的走向与所述受弯试件(14)的走向一致，所述上横梁(5)位于所述分配梁(9)的上方位；所述分配梁(9)的一端与所述受弯试件(14)铰支连接，另一端与所述受弯试件(14)间垫放有滚轴(30)，所述滚轴(30)的轴向与所述受弯试件(14)的走向相垂直；

其中，所述火源模拟装置的火源安放于所述下横梁(6)下方位；

所述火源模拟装置的火源位于一敞开式或半敞开式空间。

2.根据权利要求1所述的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，所述受弯构件加载装置的各组成构件为耐火钢件且表面包裹有防火棉。

3.根据权利要求1所述的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，固定于所述底梁(12)两端的第一支座块和第二支座块形成所述第一支撑位和第二支撑位。

4.根据权利要求1所述的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，所述下横梁(6)与所述底梁(12)垂直布置。

5.根据权利要求1所述的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，所述第一螺杆(8)、第二螺杆(18)、第四螺杆(28)和第五螺杆(38)的下端固定于一底座支架(13)上，所述火源安放于所述底座支架(13)内。

6.根据权利要求1所述的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，所述火源为燃气火源。

7.根据权利要求1所述的受弯构件真实火灾试验方法，其特征在于，步骤1)中，通过调整各垂直螺杆与所述第一下侧边梁(11)和第二下侧边梁(21)间的相对位置来控制所述第一下侧边梁(11)和第二下侧边梁(21)竖直方向距离火源的距离。

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