CN115184178A - 模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置及方法，套具套设在变电站构架柱的顶部，形成左右两侧的实体面；约束架对套具两侧实体面进行夹持；测量系统包括位移传感器、温度传感器、上位机。火灾实验炉包括炉腔，固定底座位于炉腔内，变电站构架柱顶部穿过炉腔顶部位于炉腔外。本发明涉及的试验装置制作简单，组装方便，可以各组件现场焊接，方便运输。通过约束架实现模拟构架柱实际应用场景中的顶部的约束情况，完成竖向力对构架柱的影响测试，同时做到荷载施加和防止构件侧移。套具的设计为约束架提供施力点，无需改变变电站构架柱自身结构，提高测试的真实度。将变电站构架柱的柱体置于实验炉中，可真实模拟火灾时构造柱下半部分的受热情况。

Description

模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电力设施的时延技术领域，具体来说是一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置及方法。

背景技术

电网中运行的大型电力变压器一般为油浸式电力变压器，构成的原材料包括变压器油，绝缘纸、木质垫块或压板等。尽管变压器发生火灾的概率较低，但一旦起火，会损坏变压器及其周遭构筑物，其中起着支承电力设备及承受导线拉力等作用的构架结构会受到火灾影响而迅速升温。这种构架结构以钢材居多，靠近火源的构架柱力学性能会首先降低，特别是承载力会逐步下降，所支撑的电力设备及导线会被火灾吞噬，造成更大的经济损失。因此，开展对变电站构架柱耐火性能的研究，对避免或减轻构架结构在火灾中的破坏具有重要意义，其中开展科学实验是必备的研究手段。

变电站构架柱大体为人字形构架柱，目前的测试方式一般采用1:1的模拟测试，该方法耗时耗材耗力。另一种方法是对人字形构架柱的节点进行检测，该检测结果无法体现人字形构架柱的整体力学性能，参考价值不大。如公告号为CN 205642868 U的中国专利一种人字柱节点双向荷载共同作用性能测试装置，包括外部框架固定装置，外部框架固定装置内设置有试件加载装置，试件加载装置下部设置有试件固定装置，试件加载装置连接数据采集系统，本实用新型测试装置水平荷载采用作动器进行加载，可灵活调节作动器的行程，在加载过程中通过电脑实现高精度控制，同时在试件底部设置底座和压梁，可有效防止试验过程中试件发生移动，测试精度高。该实用新型测试装置拆卸和组装方便、安全和可靠，并且克克服了千斤顶提供水平力误差较大和人字柱节点端板受力不均匀的难题。虽然该实用新型能够对人字形构架柱的节点进行测试，但无法体现构架柱的整体力学性能，在实际场景中，人字形构架柱所处环境复杂，不仅仅只有节点处受到荷载，构架柱可能会因受到周边火灾辐射的高温影响、甚至处于着火区域内而降低力学性能或丧失力学性能，所以对于人字形构造柱的整体形成测试是非常必要的。

但是由于人字形构造柱在实际场景中其顶部与桁架梁固定，具有水平约束力。所以在测试时，如何既要满足实际场景中人字形构造柱的受力情况，又满足对人字形构造柱的整体力学形成测试的目的，是急需解决的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种模拟火灾情况下变电站构架柱的实际约束情况，对其进行整体力学性能测试。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，包括竖向反力架(1)、横向反力架(2)、约束架(3)、套具(4)、固定底座(5)、测量系统、火灾实验炉(8)；所述横向反力架(2)固定在竖向反力架(1)的上部，所述约束架(3)固定在横向反力架(2)下部，所述套具(4)套设在变电站构架柱(10)的顶部，形成左右两侧的实体面；所述约束架(3)对套具(4)两侧实体面进行夹持；第一作动器(6)固定在横向反力架(2)下部，向变电站构架柱(10)施加竖向荷载；所述变电站构架柱(10)柱脚与所述固定底座(5)固定；

所述测量系统包括位移传感器(71)、温度传感器(72)、上位机；所述位移传感器(71)固定在所述约束架(3)上，测量变电站构架柱(10)顶部位移，所述温度传感器(72)为多个，分布在变电站构架柱(10)的不同位置，所述位移传感器(71)、温度传感器(72)均与上位机通信连接；

所述火灾实验炉(8)包括炉腔，所述固定底座(5)位于炉腔内，所述变电站构架柱(10)顶部穿过炉腔顶部位于炉腔外。

本发明涉及的试验装置制作简单，组装方便，可以各组件现场焊接，方便运输。通过约束架实现模拟构架柱实际应用场景中的顶部的约束情况，且通过约束架的设置，可将构架柱的顶部空出，供作动器加载竖向力，完成竖向力对构架柱的影响测试，同时做到荷载施加和防止构件侧移。套具的设计为约束架提供施力点，无需改变变电站构架柱自身结构，提高测试的真实度。将变电站构架柱的柱体置于实验炉中，可真实模拟火灾时构造柱下半部分的受热情况。

进一步的，所述约束架(3)包括两个固定架(31)；两个所述固定架(31)可拆卸固定在横向反力架(2)的下表面，两个固定架(31)的相对面固定有水平支撑杆(32)；两根支撑杆(32)的端部分别与套具(4)的两实体面抵接，第一作动器固定在所述横向反力架上，输出端朝向套具(4)顶部，对变电站构架柱(10)施加竖向力。

进一步的，所述支撑杆(32)端部固定有钢半球(33)，所述钢半球(33)的球面与实体面抵接。

进一步的，所述支撑杆(32)的一端设有外螺纹，在固定架的对应位置固定有与支撑杆(32)螺纹配合的套筒(34)。

进一步的，所述套具(4)包括倒U型槽，所述倒U型槽扣在所述变电站构架柱(10)顶部。

进一步的，所述炉腔顶部为炉盖(83)，所述炉盖(83)分为左盖和右盖，所述左盖和右盖之间形成供变电站构架柱(10)穿出的缝隙，所述缝隙采用防火棉密封。

进一步的，所述火灾实验炉(8)包括燃烧炉(81)和加高层(82)；所述燃烧炉(81)的顶部为敞口，所述加高层(82)为沿燃烧炉(81)炉壁向上采用防火砖垒砌到设定高度；所述炉盖(83)封堵加高层(82)顶部；所述燃烧炉(81)的侧壁上开有多个喷火嘴和烟道；所述喷火嘴与燃烧器连接。

进一步的，所述固定底座(5)包括砼块和预埋在砼块内的螺栓；两个变电站构架柱的柱脚固定有固定板，所述固定板上开有螺孔，所述变电站构架柱通过螺孔与螺栓配合固定。

与上述装置对应的，本发明还提供一种变电站构架柱的力学性能测试方法，应用于上述装置，其特征在于，包括以下步骤：

加工试验构建，根据试验目的，加工制作变电站构架柱(10)的缩尺模型、加工约束架(3)、套具(4)、固定底座(5)、火灾实验炉8；

将横向反力架(2)的两端与竖向反力架(1)固定，然后将第一作动器与横向反力架(2)固定，吊装固定底座(5)至火灾实验炉8内，将变电站构架柱的柱脚与固定底座(5)固定，并保证变电站构架柱与第一作动器中心一致；将套具(4)套设在变电站构架柱顶部，再将约束架(3)吊装到制定位置安装固定，最后安装移动传感器和温度传感器(72)，并与上位机通信连接，然后关闭左滑门和右滑门，将门缝处用防火棉塞紧密封，火灾实验炉8的喷火嘴与我部火焰供应装置连通，安装调试结束后即可点火开始测试。

进一步的，采用铅锤或细绳向下标定第一作动器与固定底座(5)的中心。

本发明的优点在于：

本发明涉及的试验装置制作简单，组装方便，可以各组件现场焊接，方便运输。通过约束架实现模拟构架柱实际应用场景中的顶部的约束情况，且通过约束架的设置，可将构架柱的顶部空出，供作动器加载竖向力，完成竖向力对构架柱的影响测试，同时做到荷载施加和防止构件侧移。套具的设计为约束架提供施力点，无需改变变电站构架柱自身结构，提高测试的真实度。将变电站构架柱的柱体置于实验炉中，可真实模拟火灾时构造柱下半部分的受热情况。

限位架与横向反力梁可拆卸固定，便于拆卸再利用，也可调整两个固定架之间的间距，方便不同参数试件在设计范围内的适用性，同时预防试件的制作误差和安装误差。

采用钢半球与套具抵接，可减小摩擦力，另外，套具的实体面可在构架柱发送形变时提供一定高度的约束面，即使构架柱高度下降，约束力也不会消失。

位移传感器和温度传感器实时记录位移随时间和温度的变化，为后期分析总结提供有效数据。

采用燃烧炉结合加高层作为实验炉，可根据不同待测对象，在燃烧炉自有高度的基础上垒砌加高层，加高层高度自由控制，灵活应对各种待测对象，成本低，操作便捷。尤其是炉盖采用左右盖设计，初始阶段可拆除左右盖，暴露炉腔，便于放置固定底座和构架柱，然后再按住左右盖，并采用防火棉封堵左右盖之间的间隙，保证炉腔的火灾模拟。

附图说明

图1为本发明实施例中测试装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中变电站构架柱顶部与套具、底部与固定底座的安装结构示意图；

图3为图1去掉横向反力梁和竖向反力梁的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中单个固定架及固定在其上的支撑杆、套筒、钢半球的爆炸结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，用以对等比缩小的变电站构架柱10进行整体力学性能测试，如图1、图2、图3所示，包括竖向反力架1、横向反力架2、约束架3、套具4、固定底座5、火灾实验炉8、测量系统；横向反力架2固定在竖向反力架1的上部，约束架3固定在横向反力架2下部，套具4套设在变电站构架柱10的顶部，形成左右两侧的实体面；约束架3对套具4两侧实体面进行夹持；第一作动器6和横向加载装置分别固定在横向反力架2和竖向反力架1上，向变电站构架柱10施加竖向荷载和横向荷载；变电站构架柱10柱脚与固定底座5固定；

测量系统包括位移传感器71、温度传感器72、上位机；位移传感器71固定在约束架3上，测量变电站构架柱10顶部位移，温度传感器72为多个，分布在变电站构架柱10的不同位置，位移传感器71、温度传感器72均与上位机通信连接。

本实施例中，如图3、图4所示，约束架3包括两个固定架31；两个固定架31固定在横向反力架2的下表面，一般采用螺栓固定，便于拆卸再利用以及调整两个固定架31之间的间距。两个固定架31的相对面固定有水平支撑杆32；两根支撑杆32的端部分别与套具4的两实体面抵接，第一作动器固定在横向反力架上，输出端朝向套具4顶部，对变电站构架柱10施加竖向力。为了减小支撑杆32与套具4摩擦力对变电站构架柱变形时的影响，本实施例还在支撑杆32端部焊接钢半球33，并在实体面上图上润滑油。当然，也可以在支撑杆32端部转动连接一个球体，球体与实体面滚动配合，同样可以减少摩擦力。本实施例中，钢半球33与支撑杆32可以焊接，但是为了能够调整两个钢半球33之间的间距，钢半球33与支撑杆32可以采用螺纹连接，整体通过转动钢半球，就可以实现与实体面的紧密抵接了。还可以在支撑杆32的一端设有外螺纹，在固定架的对应位置固定有与支撑杆32螺纹配合的套筒34，通过支撑杆32与螺纹套筒34的螺纹配合调节钢半球33与套具4的抵接紧密度。而且套筒34通过螺栓与固定架31固定，还可以通过调节套筒34的高低，从而调节钢半球33与套具4的接触点高度。

本实施例中，固定架31为三脚架，一般采用钢材焊接的直角三脚架，一个直角边通过螺栓与横向反力架2固定，另一个直角边用以固定支撑杆32。

本实施例中，位移传感器71为两个，分别通过焊接或者磁吸的方式固定在两个直角三脚架上。在变电站构架柱10的两根柱体的不同高度均设置有温度传感器72，以检测不同高度的温度，用以分析变电站构架柱10的不同高度变形量与温度关系。

由于变电站构架柱顶部两侧面积小，且有镂空区域，所以需要使用套具4增大两侧的实体面，便于约束架3着力。套具4为一个倒U型槽，扣在变电站构架柱10顶部，为了在变电站构架柱10变形过程中，套具4随之一起运动，可以将套具4与变电站构架柱10顶部焊接或者螺栓固定均可。

固定底座5包括预制砼块和预埋在砼块内的多根螺栓，一般为4根；两个变电站构架柱的柱脚固定有固定板101，固定板101可以是法兰盘，也可以采用钢板。在固定板101上开有与螺栓数量一致的螺孔，变电站构架柱的两个柱脚分别对应一组螺栓，通过螺孔与螺栓配合固定。

本实施例中，如图1所示，火灾实验炉8包括燃烧炉81、加高层82、炉盖83。燃烧炉81为常规的燃烧炉81，但是为了针对不同型号尺寸的变电站构架柱，本实施例中燃烧炉81的高度一般比较矮，通过加高层82来满足不同试件高度的要求。所以本实施例中，燃烧炉81顶部为敞口，加高层82为在燃烧炉81的炉壁用耐火砖向上砌筑一定高度，该高度可控，灵活性强。加高层82还包裹耐候纤维毡并用钢钉固定。然后在加高层82的顶部固定炉盖83。本实施例中，炉盖83被分成左滑盖和右滑盖，左右滑盖的滑动方向垂直于变电站构架柱所在平面，左右滑盖之间缝隙供变电站构架柱穿出，并用防火棉塞紧密封缝隙。左右滑盖的滑动结构具体为在加高层82的顶部固定轨道，左右滑盖下表面设有与轨道配合的滑盖，从而实现滑动(滑轨结构为常规结构，不在详述，图中未示出)。当然，左右滑盖也可以直接放置在加高层82顶部，为保险起见，可在滑盖顶部放置一些重物，以免被炉腔内高压气体顶出。本实施例中，在燃烧炉81的炉壁上开有喷火嘴811和排烟孔812，喷火嘴811有多个，均布在燃烧炉81四周，与燃烧器连接，用以向炉腔内持续供应喷火，模拟火灾现场。

本实施例还提供一种变电站构架柱的力学性能测试方法，应用于上述的装置，包括以下步骤：

加工试验构建，根据试验目的，加工制作变电站构架柱10的缩尺模型、加工约束架3、套具4、固定底座5；变电站构架柱10选用与实际变电站构架柱10一致的材质，制作时，需在设计的柱脚处焊接法兰盘或钢板，并预留螺栓孔，以便后期与固定底座5连接。约束架3、套具4均采用钢材焊接而成，并计算好尺寸。固定底座5采用水泥混凝土预制，耐高温，预埋的螺栓与变电站构架柱10的两个直角间距要适配。

火灾实验炉8改造，根据待测试试件的高度，使用耐火砖在燃烧炉81炉壁向上砌筑双层围墙到设定高度，再使用双层耐火纤维毡包围砌筑腔体，并使用钢钉固定。

将横向反力架2的两端与竖向反力架1固定，然后将第一作动器与横向反力架2固定，吊装固定底座5至设定位置，采用铅锤或细绳向下标定第一作动器6与固定底座5的中心一致。将变电站构架柱的柱脚与固定底座5固定；使用水平尺测试变电站构架柱10顶部是否水平，如不平整使用环氧树脂拌细沙找平。启动作动器，测试加载系统是否使用正常，并进行初步调试。将套具4套设在变电站构架柱顶部，再将约束架3吊装到制定位置安装固定，最后安装移动传感器和温度传感器72，与上位机通信连接，并进行初步调试。调试完毕，开始加载试验。通过设置的位移传感器71，可以监测构架柱顶部位移的变化过程，从而掌握试件变形情况，通过试件布置的温度传感器72，可以掌握试件不同高度变形位置处与温度之间的关系。最后分析处理试验数据，总结试验现象。

如果需要针对复杂受力情况进行测试，还需要安装第二作动器(图中未示出)，第二作动器可以固定在竖向反力架1上，施力点可以是变电站构架柱10的顶部或其他位置，根据需要设定即可。第一作动器和第二作动器可同时启动或分批启动，以模拟不同受力情况。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，包括竖向反力架(1)、横向反力架(2)、约束架(3)、套具(4)、固定底座(5)、测量系统、火灾实验炉(8)；所述横向反力架(2)固定在竖向反力架(1)的上部，所述约束架(3)固定在横向反力架(2)下部，所述套具(4)套设在变电站构架柱(10)的顶部，形成左右两侧的实体面；所述约束架(3)对套具(4)两侧实体面进行夹持；第一作动器(6)固定在横向反力架(2)下部，向变电站构架柱(10)施加竖向荷载；所述变电站构架柱(10)柱脚与所述固定底座(5)固定；

所述测量系统包括位移传感器(71)、温度传感器(72)、上位机；所述位移传感器(71)固定在所述约束架(3)上，测量变电站构架柱(10)顶部位移，所述温度传感器(72)为多个，分布在变电站构架柱(10)的不同位置，所述位移传感器(71)、温度传感器(72)均与上位机通信连接；

所述火灾实验炉(8)包括炉腔，所述固定底座(5)位于炉腔内，所述变电站构架柱(10)顶部穿过炉腔顶部位于炉腔外。

2.根据权利要求1所述的一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述约束架(3)包括两个固定架(31)；两个所述固定架(31)可拆卸固定在横向反力架(2)的下表面，两个固定架(31)的相对面固定有水平支撑杆(32)；两根支撑杆(32)的端部分别与套具(4)的两实体面抵接，第一作动器固定在所述横向反力架上，输出端朝向套具(4)顶部，对变电站构架柱(10)施加竖向力。

3.根据权利要求2所述的一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述支撑杆(32)端部固定有钢半球(33)，所述钢半球(33)的球面与实体面抵接。

4.根据权利要求3所述的一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述支撑杆(32)的一端设有外螺纹，在固定架的对应位置固定有与支撑杆(32)螺纹配合的套筒(34)。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述套具(4)包括倒U型槽，所述倒U型槽扣在所述变电站构架柱(10)顶部。

6.根据权利要求1至4任一所述的模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述炉腔顶部为炉盖(83)，所述炉盖(83)分为左盖和右盖，所述左盖和右盖之间形成供变电站构架柱(10)穿出的缝隙，所述缝隙采用防火棉密封。

7.根据权利要求6所述的模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述火灾实验炉(8)包括燃烧炉(81)和加高层(82)；所述燃烧炉(81)的顶部为敞口，所述加高层(82)为沿燃烧炉(81)炉壁向上采用防火砖垒砌到设定高度；所述炉盖(83)封堵加高层(82)顶部；所述燃烧炉(81)的侧壁上开有多个喷火嘴和烟道；所述喷火嘴与燃烧器连接。

8.根据权利要求1至4任一所述的一种模拟火灾下变电站构架柱力学性能测试装置，其特征在于，所述固定底座(5)包括砼块和预埋在砼块内的螺栓；两个变电站构架柱的柱脚固定有固定板，所述固定板上开有螺孔，所述变电站构架柱通过螺孔与螺栓配合固定。

9.一种变电站构架柱的力学性能测试方法，应用于权利要求1至8任一所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

加工试验构建，根据试验目的，加工制作变电站构架柱(10)的缩尺模型、加工约束架(3)、套具(4)、固定底座(5)、火灾实验炉8；

将横向反力架(2)的两端与竖向反力架(1)固定，然后将第一作动器与横向反力架(2)固定，吊装固定底座(5)至火灾实验炉8内，将变电站构架柱的柱脚与固定底座(5)固定，并保证变电站构架柱与第一作动器中心一致；将套具(4)套设在变电站构架柱顶部，再将约束架(3)吊装到制定位置安装固定，最后安装移动传感器和温度传感器(72)，并与上位机通信连接，然后关闭左滑门和右滑门，将门缝处用防火棉塞紧密封，火灾实验炉8的喷火嘴与我部火焰供应装置连通，安装调试结束后即可点火开始测试。

10.根据权利要求9所述的一种变电站构架柱的力学性能测试方法，其特征在于，采用铅锤或细绳向下标定第一作动器与固定底座(5)的中心。

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