CN112595756A - 一种钢拱结构热力耦合试验系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢拱结构热力耦合试验系统及方法，包括炉体，所述炉体的炉口处设有密封组件，密封组件两侧设有与炉体滑动连接的滑盖，滑盖能够同密封组件共同作用对炉口进行封闭，密封组件上方设有加载梁，加载梁安装有加载组件，加载组件与连接组件的一端连接，连接组件的另一端穿过密封组件，并且能够与待试验钢拱结构固定，加载梁底部两端设有支座，支座能够与倒置放置的钢拱结构的两端固定连接，本发明试验系统能够有效利用有限的炉体空间进行钢拱结构的热力耦合试验。

Description

一种钢拱结构热力耦合试验系统及工作方法

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种钢拱结构热力耦合试验系统及工作方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

国内外众多具有政治经济意义的建筑很多采用的都是钢结构，一旦发生火灾，将会造成巨大的生命财产损失，因此对钢结构的抗火性能进行研究是很有必要的。发明人发现，学者们已经做了大量关于火灾下钢结构抗火的试验研究及理论分析，关于钢结构抗火试验研究的对象主要是梁、板、柱等构件，鲜有关于受火侵袭钢拱结构失效行为试验研究。发明人还发现，如果采用现有的加热炉对钢拱结构进行抗火试验，试件无法正常放置在炉内，拱顶将超出炉体口，无法对整个钢拱结构进行升温。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种钢拱结构热力耦合试验系统，可用于炉体空间受限时钢拱结构抗火试验研究。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种钢拱结构热力耦合试验系统，包括炉体，所述炉体的炉口处设有密封组件，密封组件两侧设有与炉体滑动连接的滑盖，滑盖能够同密封组件共同作用对炉口进行封闭，密封组件上方设有加载梁，加载梁安装有加载组件，加载组件与连接组件的一端连接，连接组件的另一端穿过密封组件，并且能够与待试验钢拱结构固定，加载梁底部两端设有支座，支座能够与倒置放置的钢拱结构的两端固定连接。

进一步的，所述加载组件包括加载驱动件，加载驱动件固定在托件上，所述托件通过连接杆与限位板固定连接，限位板设置在顶板上方，连接杆穿过顶板，顶板固定在加载梁顶面，限位板和顶板之间设有与限位板和顶板接触的荷载检测件。

进一步的，所述荷载检测件采用柱式压力传感器。

进一步的，所述加载驱动件采用穿心千斤顶，穿心千斤顶通过单孔锚具与连接组件固定连接。

进一步的，所述连接组件包括与加载驱动件连接的柔性牵拉件，所述柔性牵拉件与拉杆的一端连接，拉杆的另一端设有固定件，固定件能够与钢拱结构连接。

进一步的，所述拉杆采用U型结构，包括弧形部和一体式设置在弧形部两端的竖直部，竖直部底端与固定件固定连接，柔性牵拉件挂接在弧形部上。

进一步的，加载梁底部两端的支座之间设置有横向拉梁，用于承受钢拱结构的水平推力。

进一步的，所述密封组件包括盖板架，盖板架上表面固定连接有钢板，钢板的上下表面均敷设有耐火石棉。

进一步的，还包括第一温度检测件、第二温度检测件及位移检测件，第一温度检测件用于检测钢拱结构的温度，所述第二温度检测件用于检测炉体内温度，所述位移检测件用于检测钢拱结构产生的位移。

第二方面，本发明提供了一种钢拱结构热力耦合试验系统的工作方法，包括以下步骤：

将密封组件预先安装在炉体的炉口位置处；

将钢拱结构倒置于炉体内部，并将倒置的钢拱结构的两端与支座固定连接；

将加载组件安装在加载梁上，将连接组件穿过密封组件并与钢拱结构固定连接；

滑动滑盖，使得滑盖与密封组件接触，利用滑盖和密封组件关闭炉体的炉口；

加载组件对钢拱结构进行加载，直至达到设定荷载值；

升高炉体内温度至设定温度，对钢拱结构的温度、位移变化及荷载变化值进行检测及记录。

本发明的有益效果：

1.本发明的试验系统，通过设置加载梁、支座及能够使得连接组件穿过的密封组件，能够实现钢拱结构的倒置，能够合理利用有限炉体空间，方便开展钢拱结构的热力耦合试验。

2.本发明的试验系统，所述加载组件包括加载驱动件，加载驱动件固定在托件上，所述托件通过连接杆与限位板固定连接，限位板设置在顶板上方，连接杆穿过顶板，顶板固定在加载梁顶面，限位板和顶板之间设有与限位板和顶板接触的荷载检测件，实现了自平衡加载系统，节约了钢材用量，加载组件制作简单，操作方便，节省操作空间。

3.本发明的试验系统，密封组件包括盖板架及钢板，钢板上下两个表面均敷设有耐火石棉，钢板配合耐火石棉使用，密封效果好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构剖视示意图；

图2为本发明实施例1整体结构主视图；

图3为本发明实施例1炉体与加载梁装配示意图；

图4为本发明实施例1加载组件结构示意图；

其中，1.炉体，2.凹槽，3.炉侧支架，4.加载梁，5.支座，6.第一连接杆，7.压板，8.钢拱结构，9.盖板架，10.穿心千斤顶，11.液压站，12.托件，13.第二连接杆，14.限位板，15.柱式压力传感器，16.顶板，17.上位计算机，18.单孔锚具，19.拉索，20.拉杆，21.横向拉梁，22.固定件，23.销轴，24.插销，25.探针式温度传感器，26.滑盖。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，目前钢拱结构放置于炉体内部进行热力耦合试验时，拱顶超出炉体口，无法对整个钢拱结构进行升温，针对上述问题，本申请提出了一种钢拱结构热力耦合试验系统。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-图4所示，一种钢拱结构热力耦合试验系统，包括炉体1，所述炉体采用现有的试验炉体结构，其炉体的侧面布设有燃气管道，能够通入燃气，对炉体内进行加热，炉体底部设有排气孔。所述炉体的炉口设置在上部，炉体的其他结构采用现有结构，在此不进行详细叙述，工作人员能够按照标准升温曲线升高炉内温度。

本实施例中，所述炉体内部空间尺寸为长X宽X高＝3.73mX3.73mX1.62m，所述炉体的两个相对的炉壁顶部开设有凹槽2，凹槽的底部槽面距离炉体顶面0.9m。

所述炉体开设凹槽的两个炉壁的外侧面设置有炉侧支架3，两个炉侧支架的顶部固定有加载梁4，所述加载梁的两端与炉侧支架固定连接。

本实施例中，所述加载梁的整体尺寸为：长X宽X高＝5.9mX0.42mX1m，所述加载梁底面距离炉体顶面距离为0.2m。

所述加载梁两端的下方设置有支座5，支座与加载梁固定连接，优选的，所述支座与四根第一连接杆6的底端固定连接，四根第一连接杆的顶端穿过压板7并旋紧压紧螺母，所述压板压在加载梁的顶面。

在其他一些实施例中，支座可直接焊接在加载梁端部底面或通过螺栓固定在加载梁端部底面，本领域技术人员可根据实际需要进行设置。

两个所述支座能够分别通过螺栓与倒置的钢拱结构8的两个端部可拆卸固定连接。

优选的，两个支座之间固定有横向拉梁21，用于承受钢拱结构的水平推力，进一步的，所述横向拉梁设置两根，本领域技术人员可根据实际需要设置横向拉梁的数量。

所述炉体的炉口中部位置设置有密封组件，所述密封组件的两端设置在炉体的炉壁开设的凹槽内，所述密封组件包括盖板架9，所述盖板架包括第一盖板部距设置在第一盖板部两端的第二盖板部，所述第二盖板部固定在凹槽内，第一盖板部的高度高于第二盖板部的高度，且高于炉体顶面的高度，所述盖板架的上表面铺设有钢板，优选的，钢板与盖板架通过螺栓连接，盖板架和钢板均预留有孔洞，用于加载组件及相关检测元件连接线的穿过。

优选的，所述钢板的上下表面均敷设有耐火石棉，密封组件的两侧设置有滑盖，滑盖与炉体顶面滑动连接，滑盖能够滑动至与盖板架接触，滑盖同盖板架、钢板共同对炉体的炉口进行封闭，钢板与耐火石棉共同配合，密封效果好。

所述加载梁上安装有加载组件，所述加载组件包括加载驱动件，优选的，所述加载驱动件采用穿心千斤顶10，穿心千斤顶通过千斤顶油管与液压站11连接，由液压站对其进行供油，优选的，所述液压站采用伺服控制液压站，可以理解的是，在其他一些实施例中，所述加载驱动件也可采用其他能够输出线性荷载的元件，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

所述穿心千斤顶放置在托件12上，优选的，所述托件采用U型板，所述U型板通过四根第二连接杆13与设置在加载梁上方的限位板14固定连接，所述第二连接杆采用螺杆，螺杆底端穿过托件并旋紧压紧螺母，其顶端穿过限位板并旋紧压紧螺母，实现了限位板与托件的固定，所述加载梁的顶面固定有顶板，所述顶板与限位板之间放置有荷载检测件，优选的，所述荷载检测件采用柱式压力传感器15，所述柱式压力传感器放置在顶板16上，通过调节压紧螺母，能够实现柱式压力传感器与限位板接触，并利用限位板压紧柱式压力传感器，所述柱式压力传感器与控制系统连接，能够将采集的荷载值传输给控制系统，所述控制系统与上位计算机17连接，能够将接收的荷载大小在上位计算机进行显示。

本实施例的加载组件，形成了自平衡加载系统，节约了钢材用量，加载组件制作简单，操作方便，节省操作空间，而且采用穿心千斤顶，荷载的施加快速精准，提高了试验效率。

所述穿心千斤顶通过单孔锚具18与连接组件连接，连接组件的顶端与穿心千斤顶连接，底端能够与待试验的钢拱结构连接，穿心千斤顶能够通过连接组件对钢拱结构施加荷载。

所述连接组件包括柔性牵拉件，优选的，所述柔性牵拉件采用由柔性材质制成的拉索19，所述拉索一端是由双股拉索压制而成的索套，另一端是单股拉索，所述拉索顶端的单股拉索通过单孔锚具与穿心千斤顶固定，所述拉索的底端与拉杆20连接，优选的，所述拉杆采用U型结构，包括弧形部及设置在弧形部两端的竖直部，所述弧形部通过拉索端部的索套与拉索挂接连接，所述竖直部底端具有螺纹段，所述螺纹段穿过固定件22，并在固定件两侧螺纹连接两个固定螺母，通过固定螺母实现拉杆与固定件的固定连接，固定件能够与钢拱结构固定连接。

由于连接组件采用了柔性牵拉件和挂接的拉杆，因此，连接组件不限制钢拱结构的侧向位移，可对钢拱结构的平面外稳定性行为进行研究。

同时，柔性牵拉件长度可调节，使传力路径长度尽可能减小，增大了平面外位移的容许值。

所述固定件采用U型结构，优选的，由整块SQ460FR耐火钢板切割加工而成，其内部宽度与钢拱结构的翼缘宽度相同，其顶部预留两个连接孔，用于与拉杆进行固定连接，两侧预留一销轴孔，与钢拱结构的销轴孔相匹配，固定件与钢拱结构的销轴孔中能够穿过销轴23，并在销轴中穿过插销24，利用插销防止销轴从销孔中脱离，实现固定件和钢拱结构的连接，实现了荷载向钢拱结构拱顶的传递。

本实施中，整个加载组件制作简单，安装方便，耐火性好。

本实施例中，所述试验系统还包括第一温度检测件、第二温度检测件及位移检测件，优选的，所述第一检测件采用贴片式热电偶，能够与钢拱结构粘贴固定，所述贴片式热电偶与控制系统连接，能够检测钢拱结构的温度并传输给控制系统，优选的，所述第二温度检测件采用探针式温度传感器25，安装在炉体内部，用于检测炉体内温度，所述探针式温度传感器与控制系统连接，能够将采集的炉体内温度信息传输给控制系统，优选的，所述位移检测件采用位移计，能够与钢拱结构连接，用于检测钢拱结构产生的位移，所述位移计与控制系统连接，能够将采集的位移信息传输给控制系统。

所述控制系统与上位计算机连接，能够将采集得到的信息在上位计算机进行显示，所述液压站及炉体与控制系统连接，工作人员能够通过控制系统向液压站及炉体发送指令，控制其工作。

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的钢拱结构热力耦合试验系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：将预先制作好的密封组件预先通过凹槽安装在炉体上，在炉体内预先安装探针式温度传感器。

步骤2：将待试验的钢拱结构倒置后，将其两端通过密封组件开设的孔洞穿过密封组件并通过螺栓与支座固定连接。

钢拱结构的倒置，能够合理利用有限炉体空间，方便开展钢拱结构的热力耦合试验。

本实施例中，所述钢拱结构预先粘贴贴片式温度传感器及位移计，并将贴片式温度传感器及位移计的连接线通过密封组件开设的孔洞拉出并与控制系统连接。

步骤3：在托件上放置穿心千斤顶，将托件通过四个第一连接杆与限位板固定连接，并在限位板和顶板之间放置柱式压力传感器，将拉杆穿过密封组件预留的孔洞后，将固定件通过销轴与钢拱结构进行连接，调节压紧螺母，使得限位板与柱式压力传感器接触，拉索处于紧绷状态。

对钢拱结构与密封组件的孔洞之间利用耐火石棉进行密封，将传感器的连接线及拉杆与密封组件的孔洞之间利用耐火石棉进行密封。

步骤4：滑动滑盖26，使得滑盖与密封组件的侧面接触，完成炉体的炉口关闭。

步骤5：工作人员向控制系统发送指令，控制系统控制液压站工作，液压站控制穿心式千斤顶工作，对钢拱结构进行加载，观察上位计算机显示的荷载值，直至加载至设定荷载值。

荷载作用下，若试件发生较大变形，连接组件在试验过程中出现松弛现象，造成拱顶载荷突然卸载时，根据上位计算机采集的柱式压力传感器4数据实时调节液压站，实现钢拱结构拱顶的连续稳定加载。

步骤6：工作人员向控制系统发送指令，控制系统控制炉体工作，按照标准升温曲线升高炉内温度，通过上位计算机实时监测炉内温度直至炉内温度升高纸设定温度值，通过上位计算机实时观察并记录钢拱结构的温度，位移变化值及拱顶的荷载变化值，进行热力耦合试验。

本实施例的装置，可实现有限炉体空间内钢拱结构整体均匀升温、拱顶恒定加载，模拟静载下受火侵袭钢拱的失效过程，为有限炉体空间内钢拱结构抗火试验研究提供重要参考。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，包括炉体，所述炉体的炉口处设有密封组件，密封组件两侧设有与炉体滑动连接的滑盖，滑盖能够同密封组件共同作用对炉口进行封闭，密封组件上方设有加载梁，加载梁安装有加载组件，加载组件与连接组件的一端连接，连接组件的另一端穿过密封组件，并且能够与待试验钢拱结构固定，加载梁底部两端设有支座，支座能够与倒置放置的钢拱结构的两端固定连接。

2.如权利要求1所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，所述加载组件包括加载驱动件，加载驱动件固定在托件上，所述托件通过连接杆与限位板固定连接，限位板设置在顶板上方，连接杆穿过顶板，顶板固定在加载梁顶面，限位板和顶板之间设有与限位板和顶板接触的荷载检测件。

3.如权利要求2所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，所述荷载检测件采用柱式压力传感器。

4.如权利要求2所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，所述加载驱动件采用穿心千斤顶，穿心千斤顶通过单孔锚具与连接组件固定连接。

5.如权利要求1所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，所述连接组件包括与加载驱动件连接的柔性牵拉件，所述柔性牵拉件与拉杆的一端连接，拉杆的另一端设有固定件，固定件能够与钢拱结构连接。

6.如权利要求5所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，所述拉杆采用U型结构，包括弧形部和一体式设置在弧形部两端的竖直部，竖直部底端与固定件固定连接，柔性牵拉件挂接在弧形部上。

7.如权利要求1所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，加载梁底部两端的支座之间设置有横向拉梁，用于承受钢拱结构的水平推力。

8.如权利要求1所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，所述密封组件包括盖板架，盖板架上表面固定连接有钢板，钢板的上下表面均敷设有耐火石棉。

9.如权利要求1所述的一种钢拱结构热力耦合试验系统，其特征在于，还包括第一温度检测件、第二温度检测件及位移检测件，第一温度检测件用于检测钢拱结构的温度，所述第二温度检测件用于检测炉体内温度，所述位移检测件用于检测钢拱结构产生的位移。

10.一种钢拱结构热力耦合试验系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

将密封组件预先安装在炉体的炉口位置处；

将钢拱结构倒置于炉体内部，并将倒置的钢拱结构的两端与支座固定连接；

将加载组件安装在加载梁上，将连接组件穿过密封组件并与钢拱结构固定连接；

滑动滑盖，使得滑盖与密封组件接触，利用滑盖和密封组件关闭炉体的炉口；

加载组件对钢拱结构进行加载，直至达到设定荷载值；

升高炉体内温度至设定温度，对钢拱结构的温度、位移变化及荷载变化值进行检测及记录。

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