CN114858377A - 一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置及试验方法 - Google Patents

一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于悬索桥主缆荷载‑火灾耦合的试验装置及试验方法，其装置包括应力加载装置，应力加载装置包括第一横梁、第二横梁和第三移动横梁，第一横梁和第二横梁之间通过工字型钢梁固定连接，多组主缆依次穿过第一横梁和第二横梁，主缆的一端固定在第一横梁上且主缆的另一端通过锚具连接在第三移动横梁上，第二横梁和第三移动横梁之间设有施力设备，施力设备用于推动第三移动横梁的移动并用于向主缆施加轴向预加荷载。本申请与现有技术相比：本试验装置可研究不同应力比、温度水平、防火涂料、受火时间等对主缆力学性能的影响，提高试验效率。

Description

一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置及试验方法
技术领域
本申请涉及悬索桥主缆荷载-火灾耦合技术领域，具体地涉及一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置及试验方法。
背景技术
火灾作为重要风险之一，威胁着桥梁结构的安全，主缆是桥梁结构中最重要的组成部分，主缆通常包括钢丝束和钢绞线等，火灾下这些高强钢丝、钢绞线的强度下降远大于热轧型钢。因此，主缆的火灾正面临重大的挑战。
研究主缆在受火过程中演化行为和抗火能力时，如果不考虑主缆的轴向荷载，势必会导致主缆在火灾过程的变形、耐火极限以及力学性能退化规律与实际情况差别较大。无法准确反应主缆实际受火情况，对主缆受火后力学性能的评估不准确。因此，有必要展开主缆在荷载-火灾耦合情况下的灾变情况，建立主缆荷载-火灾耦合监测试验体系。
荷载-火灾耦合是指桥梁主缆部件在荷载和火灾共同作用下，造成桥梁主缆部件失效的过程。荷载加快了主缆在火灾作用下的蠕变等性能，导致力学性能退化，严重影响主缆剩余使用寿命。目前，首先对于索体的荷载-火灾耦合试验装置很少见。此外，火灾试验加载装置通常需要固定于地面，安装费时费力；应力加载装置对研究对象的尺寸型号局限性很大。
发明内容
为了克服以上的技术缺陷，本申请提供一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置及试验方法，该装置可以用来研究不同应力比、温度水平、防火涂料、受火时间等对主缆力学性能的影响，提高试验效率。
根据本申请，一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，包括：
应力加载装置，应力加载装置包括第一横梁、第二横梁和第三移动横梁，第一横梁和第二横梁之间通过工字型钢梁固定连接，多组主缆依次穿过第一横梁和第二横梁，主缆的一端固定在第一横梁上且主缆的另一端通过锚具连接在第三移动横梁上，第二横梁和第三移动横梁之间设有施力设备，施力设备用于推动第三移动横梁的移动并用于向主缆施加轴向预加荷载；
可移动式火炉装置，可移动式火炉装置包括炉体，炉体位于第一横梁和第二横梁之间设置，若干组主缆均贯穿炉体；
数据监测采集系统，数据监测采集系统包括位移测试系统、环境温度测试系统、主缆温度测试系统、主缆轴向荷载测试系统、数据采集仪以及电脑，位移测试系统安装在主缆的被测端，环境温度测试系统安装在炉体内部，主缆温度测试系统安装在主缆的中部以及端部两侧，主缆轴向荷载测试系统设置在施力设备的前端，数据采集仪通过有线或无线的方式将采集到的主缆的温度、位移、荷载变化信号送入到电脑中，电脑通过位移以及荷载换算出主缆的应变、应力数值，并绘制主缆局部以及整体的温度、应变、应力曲线关系，从而进行主缆状态识别。
优选地，锚具包括固定在第三移动横梁上的螺杆以及与主缆端部固定的锚杯，锚杯与螺杆之间通过螺纹配合连接。
优选地，位移测试系统为粘贴在主缆端部的若干应变片，应变片用于监测主缆在试验过程中位移变化；
环境温度测试系统为安装在炉体内部的第一S分度热电偶，第一S分度热电偶用于监测炉体内的环境温度；
主缆温度测试系统为粘贴在主缆试验段中部以及两端内侧及外侧钢丝上的若干第二S分度热电偶，第二S分度热电偶用于监测主缆试验过程中的温度变化；
施力设备为千斤顶，主缆轴向荷载测试系统为设置在施力设备前部的压力传感器，压力传感器用于监测主缆轴向荷载值的变化。
优选地，炉体的底部设有可升降的滚轮，炉体的两侧均设有燃烧喷嘴、摄像头以及余热尾气排放囱。
优选地，炉体由两个移动式半炉体组成，两个移动式半炉体之间通过固定锁扣固定连接。
优选地，第一横梁以及第二横梁底部两端均设有剪叉式升降架。
一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一、将第一横梁与第二横梁相连接，连接方式通过两根工字型钢梁焊接；
步骤二，主缆穿过第一横梁与第二横梁中截面，其一端通过螺栓与第一横梁固定，另一端通过锚具连接于第三移动横梁，通过第二横梁与第三移动横梁之间的施力设备施加预应力，通过压力传感器实时监测主缆荷载变化。
步骤三，打开可移动式火炉装置底部的滚轮，移动至主缆试验段底部，移动炉体调整至主缆与炉体的最佳位置，升高底部滚轮至最佳高度并锁定滚轮防止滑移；
步骤四，在炉体与主缆衔接位置处进行防火涂层处理，并在主缆中部、端部外层钢丝及内侧钢丝布置若干个第二S分度热电偶；
步骤五，在炉体内部两侧均布置2个第一S分度热电偶，用于实时监测炉内温度变化情况；在炉体两侧开孔处设置两个摄像头，实时监测试验画面；靠近主缆试验端部布置若干个应变片，监测在试验过程中主缆位移的变化情况；
步骤六，数据采集仪通过有线或无线的方式将采集到的主缆的温度、位移、荷载变化信号送入到电脑中，电脑通过位移以及荷载换算出主缆的应变、应力数值，并绘制主缆局部以及整体的温度、应变、应力曲线关系，从而进行主缆状态识别；
步骤七，将不同导热系数的防火材料的抗火性能进行对比，确定用于悬索桥中主缆的外包防火材料；再次，将选定防火材料外包于主缆进行多次热分析试验，通过主缆的温度随防火层导热系数和厚度变化曲线，确定防火层厚度的取值区间，最后根据主缆不同时刻截面处的温度场分布获得火灾下主缆的防护时间，根据主缆纵向不同位置截面处的温度场分布获得主缆的防护范围。
本申请的一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置可以同时开展多组主缆在不用应力、受火温度状态下的耦合试验，不仅解决对照试验的要求，而且充分利用了火炉空间，缩短了试验周期，减小了试验误差，提高了试验效率。
其次，本申请中的可移动式火炉装置是可移动式火炉结构，底部安有可升降带刹滚轮，便于试验移动安装，减少人力物力，减少试验成本。同时，炉体设有摄像头，可实时监测炉内主缆受火变化状态，实时掌握受火状况，能够真实还原主缆实际受火状况。
附图说明
图1是根据本申请一实施例的用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置的结构示意图。
图2是根据本申请一实施例的用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置中炉体的外部结构示意图。
图3是根据本申请一实施例的用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置中炉体的拆分结构示意图。
图4是根据本申请一实施例的用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置中多组主缆连接示意断面图。
附图标记：1、第一横梁，2、第二横梁，3、第三移动横梁，4、工字型钢梁，5、主缆，6、施力设备，7、炉体，71、半炉体，8、数据采集仪，9、电脑，10、螺杆，11、锚杯，12、应变片，13、第一S分度热电偶，14、剪叉式升降架，15、压力传感器，16、燃烧喷嘴，17、滚轮，18、摄像头，19、余热尾气排放囱，20、固定锁扣。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如附图1-附图4所示，一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，包括：
应力加载装置，应力加载装置包括第一横梁1、第二横梁2和第三移动横梁3，第三移动横梁3上设有等间距环状孔洞，用于稳固张拉主缆5，第一横梁1和第二横梁2之间通过工字型钢梁4固定连接，多组主缆5依次穿过第一横梁1和第二横梁2，主缆5的一端固定在第一横梁1上且主缆5的另一端通过锚具连接在第三移动横梁3上，第二横梁2和第三移动横梁3之间设有施力设备6，施力设备6用于推动第三移动横梁3的移动并用于向主缆5施加轴向预加荷载；
可移动式火炉装置，可移动式火炉装置包括炉体7，炉体7位于第一横梁1和第二横梁2之间设置，若干组主缆5均贯穿炉体7；
数据监测采集系统，数据监测采集系统包括位移测试系统、环境温度测试系统、主缆温度测试系统、主缆轴向荷载测试系统、数据采集仪8以及电脑9，位移测试系统安装在主缆5的被测端，环境温度测试系统安装在炉体7内部，主缆温度测试系统安装在主缆5的中部以及端部两侧，主缆轴向荷载测试系统设置在施力设备6的前端，数据采集仪8通过有线或无线的方式将采集到的主缆的温度、位移、荷载变化信号送入到电脑9中，电脑9通过位移以及荷载换算出主缆5的应变、应力数值，并绘制主缆局部以及整体的温度、应变、应力曲线关系，从而进行主缆5状态识别。
在一个实施例中，锚具包括固定在第三移动横梁3上的螺杆10以及与主缆5端部固定的锚杯11，锚杯11与螺杆10之间通过螺纹配合连接；
在一个实施例中，位移测试系统为粘贴在主缆5端部的若干应变片12，应变片12用于监测主缆5在试验过程中位移变化；
环境温度测试系统为安装在炉体7内部的第一S分度热电偶13，第一S分度热电偶13用于监测炉体7内的环境温度；
主缆温度测试系统为粘贴在主缆5试验段中部以及两端内侧及外侧钢丝上的若干第二S分度热电偶，第二S分度热电偶用于监测主缆试验过程中的温度变化；
施力设备6为千斤顶，主缆轴向荷载测试系统为设置在施力设备6前部的压力传感器15，压力传感器15用于监测主缆5轴向荷载值的变化。
在一个实施例中，炉体7的底部设有可升降的滚轮17，炉体7的两侧均设有燃烧喷嘴16、摄像头18以及余热尾气排放囱19。
炉体7由两个移动式半炉体71组成，两个移动式半炉体71之间通过固定锁扣20固定连接。
第一横梁1以及第二横梁2底部两端均设有剪叉式升降架14。
一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一、将第一横梁1与第二横梁2相连接，连接方式通过两根工字型钢梁4焊接；
步骤二，主缆5穿过第一横梁1与第二横梁2中截面，其一端通过螺栓与第一横梁固定，另一端通过锚具连接于第三移动横梁3，通过第二横梁2与第三移动横梁3之间的施力设备6施加预应力，通过压力传感器15实时监测主缆荷载变化。
步骤三，打开可移动式火炉装置底部的滚轮17，移动至主缆5试验段底部，移动炉体7调整至主缆5与炉体7的最佳位置，升高底部滚轮17至最佳高度并锁定滚轮17防止滑移；
步骤四，在炉体7与主缆5衔接位置处进行防火涂层处理，并在主缆5中部、端部外层钢丝及内侧钢丝布置若干个第二S分度热电偶；
步骤五，在炉体7内部两侧均布置2个第一S分度热电偶13，用于实时监测炉内温度变化情况；在炉体7两侧开孔处设置两个摄像头18，实时监测试验画面；靠近主缆5试验端部布置若干个应变片12，监测在试验过程中主缆5位移的变化情况；
步骤六，数据采集仪8通过有线或无线的方式将采集到的主缆的温度、位移、荷载变化信号送入到电脑9中，电脑9通过位移以及荷载换算出主缆5的应变、应力数值，并绘制主缆局部以及整体的温度、应变、应力曲线关系，从而进行主缆5状态识别；
步骤七，将不同导热系数的防火材料的抗火性能进行对比，确定用于悬索桥中主缆5的外包防火材料；再次，将选定防火材料外包于主缆5进行多次热分析试验，通过主缆5的温度随防火层导热系数和厚度变化曲线，确定防火层厚度的取值区间，最后根据主缆5不同时刻截面处的温度场分布获得火灾下主缆5的防护时间，根据主缆5纵向不同位置截面处的温度场分布获得主缆5的防护范围。
以上实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请权利要求所限定的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，其特征在于，包括：
应力加载装置，所述应力加载装置包括第一横梁（1）、第二横梁（2）和第三移动横梁（3），所述第一横梁（1）和所述第二横梁（2）之间通过工字型钢梁（4）固定连接，多组主缆（5）依次穿过所述第一横梁（1）和所述第二横梁（2），所述主缆（5）的一端固定在所述第一横梁（1）上且所述主缆（5）的另一端通过锚具连接在所述第三移动横梁（3）上，所述第二横梁（2）和第三移动横梁（3）之间设有施力设备（6），所述施力设备（6）用于推动所述第三移动横梁（3）的移动并用于向主缆（5）施加轴向预加荷载；
可移动式火炉装置，所述可移动式火炉装置包括炉体（7），所述炉体（7）位于所述第一横梁（1）和所述第二横梁（2）之间设置，若干组所述主缆（5）均贯穿所述炉体（7）；
数据监测采集系统，所述数据监测采集系统包括位移测试系统、环境温度测试系统、主缆温度测试系统、主缆轴向荷载测试系统、数据采集仪（8）以及电脑（9），所述位移测试系统安装在主缆（5）的被测端，所述环境温度测试系统安装在炉体（7）内部，所述主缆温度测试系统安装在主缆（5）的中部以及端部两侧，所述主缆轴向荷载测试系统设置在所述施力设备（6）的前端，所述数据采集仪（8）通过有线或无线的方式将采集到的主缆的温度、位移、荷载变化信号送入到电脑（9）中，所述电脑（9）通过位移以及荷载换算出主缆（5）的应变、应力数值，并绘制主缆局部以及整体的温度、应变、应力曲线关系，从而进行主缆（5）状态识别。
2.根据权利要求1所述的一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，其特征在于，所述锚具包括固定在所述第三移动横梁（3）上的螺杆（10）以及与所述主缆（5）端部固定的锚杯（11），所述锚杯（11）与所述螺杆（10）之间通过螺纹配合连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，其特征在于，所述位移测试系统为粘贴在主缆（5）端部的若干应变片（12），所述应变片（12）用于监测主缆（5）在试验过程中位移变化；
所述环境温度测试系统为安装在炉体（7）内部的第一S分度热电偶（13），所述第一S分度热电偶（13）用于监测炉体（7）内的环境温度；
所述主缆温度测试系统为粘贴在主缆（5）试验段中部以及两端内侧及外侧钢丝上的若干第二S分度热电偶，所述第二S分度热电偶用于监测主缆试验过程中的温度变化；
所述施力设备（6）为千斤顶，所述主缆轴向荷载测试系统为设置在施力设备（6）前部的压力传感器（15），所述压力传感器（15）用于监测主缆（5）轴向荷载值的变化。
4.根据权利要求1所述的一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，其特征在于，所述炉体（7）的底部设有可升降的滚轮（17），所述炉体（7）的两侧均设有燃烧喷嘴（16）、摄像头（18）以及余热尾气排放囱（19）。
5.根据权利要求4所述的一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，其特征在于，所述炉体（7）由两个移动式半炉体（71）组成，两个所述移动式半炉体（71）之间通过固定锁扣（20）固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置，其特征在于，所述第一横梁（1）以及第二横梁（2）底部两端均设有剪叉式升降架（14）。
7.一种用于悬索桥主缆荷载-火灾耦合的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将第一横梁（1）与第二横梁（2）相连接，连接方式通过两根工字型钢梁（4）焊接；
步骤二，主缆（5）穿过第一横梁（1）与第二横梁（2）中截面，其一端通过螺栓与第一横梁固定，另一端通过锚具连接于第三移动横梁（3），通过第二横梁（2）与第三移动横梁（3）之间的施力设备（6）施加预应力，通过压力传感器（15）实时监测主缆荷载变化；
步骤三，打开可移动式火炉装置底部的滚轮（17），移动至主缆（5）试验段底部，移动炉体（7）调整至主缆（5）与炉体（7）的最佳位置，升高底部滚轮（17）至最佳高度并锁定滚轮（17）防止滑移；
步骤四，在炉体（7）与主缆（5）衔接位置处进行防火涂层处理，并在主缆（5）中部、端部外层钢丝及内侧钢丝布置若干个第二S分度热电偶；
步骤五，在炉体（7）内部两侧均布置2个第一S分度热电偶（13），用于实时监测炉内温度变化情况；在炉体（7）两侧开孔处设置两个摄像头（18），实时监测试验画面；靠近主缆（5）试验端部布置若干个应变片（12），监测在试验过程中主缆（5）位移的变化情况；
步骤六，数据采集仪（8）通过有线或无线的方式将采集到的主缆的温度、位移、荷载变化信号送入到电脑（9）中，电脑（9）通过位移以及荷载换算出主缆（5）的应变、应力数值，并绘制主缆局部以及整体的温度、应变、应力曲线关系，从而进行主缆（5）状态识别；
步骤七，将不同导热系数的防火材料的抗火性能进行对比，确定用于悬索桥中主缆（5）的外包防火材料；再次，将选定防火材料外包于主缆（5）进行多次热分析试验，通过主缆（5）的温度随防火层导热系数和厚度变化曲线，确定防火层厚度的取值区间，最后根据主缆（5）不同时刻截面处的温度场分布获得火灾下主缆（5）的防护时间，根据主缆（5）纵向不同位置截面处的温度场分布获得主缆（5）的防护范围。
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