CN117705394A - 一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其包括结构基础、结构主体和龙门架，所述结构主体设置于所述结构基础的上方，所述龙门架通过电葫芦与结构主体连接并罩设于结构主体的上方；所述结构基础包括钢结构基础、液压杆和万向球，其能够带动其上的结构主体在X方向、Y方向及Z方向移动和/或倾斜，以改变结构主体的位姿；还包括火源装置和烟雾装置，其设置于结构主体的内部，以模拟火灾现场的情况；还包括测量装置，所述测量装置包括应变测量模块、位移测量模块和温度测量模块，其连接于结构主体，以测量建筑结构形变模拟试验过程中的数据。
Description
技术领域
本发明属于建筑防灾工程技术领域，涉及一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统。
背景技术
地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害，地震往往对建筑结构影响巨大，造成建筑倒塌、设施损毁、人员伤亡，对建筑结构进行振动激励模拟，将地震时建筑结构的受力情况模拟表现出来，可为提高建筑物的抗震水平，探究地震时建筑局部结构稳固情况，为震后制定快速搜索救援方案制定提供科学的依据，地震中建筑结构变形一般采用传统的模拟地震振动台进行模拟试验，模拟地震振动台主要由振动台台面,液压/电动缸驱动和动力系统、测试和分析系统、控制系统组成，可用来探讨各类结构地震破坏过程、检验新的抗震结构或抗震装置的有效性。
而火灾也是对建筑结构影响较大的因素，在建筑火灾中，钢结构会因为温度升高而膨胀变形，导致结构无法承受本身的重量而坍塌，国内针对研究火灾情况下钢结构的力学性能试验以钢结构试件居多，针对整体的结构系统的研究较少。
由于地震极有可能伴随火灾的发生，但目前还未有资料报道地震和火灾同时作用下对建筑结构形变模拟而研究建筑形变、位移以及温度场等信息。
因此，亟需设计一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，解决目前存在的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供的一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其结构合理，能够模拟火灾和地震共同造成的结构坍塌，制造火灾场景，研究监测到的建筑形变/位移以及温度场等信息，分析受损建筑二次破坏的关键监测指标及预警预报方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其包括结构基础、结构主体和龙门架，所述结构主体设置于所述结构基础的上方，所述龙门架通过电葫芦与结构主体连接并罩设于结构主体的上方；所述结构基础包括钢结构基础、液压杆和万向球，其能够带动其上的结构主体在X方向、Y方向及Z方向移动和/或倾斜，以改变结构主体的位姿；还包括火源装置和烟雾装置，其设置于结构主体的内部，以模拟火灾现场的情况；还包括测量装置，所述测量装置包括应变测量模块、位移测量模块和温度测量模块，其连接于结构主体，以测量建筑结构模拟试验过程中的数据。
在一些实施例中，所述结构基础包括上层基础、下层基础和侧边基础，所述上层基础和下层基础为矩形框结构，两者之间设置有液压杆，所述液压杆通过万向球与上层基础及下层基础连接，以改变Z方向的移动和/或倾斜；所述侧边基础设置于上层基础及下层基础的侧方，其通过液压杆及万向球连接于上层基础及下层基础的侧方，以改变X方向和Y方向的移动和/或倾斜。
在一些实施例中，所述侧边基础为上窄下宽的梯形结构，所述液压杆的一端抵接于所述侧边基础的上部。
在一些实施例中，所述侧边基础沿X方向设置有两个液压杆，其沿Y方向设置有一个液压杆。
在一些实施例中，所述火源装置设置于所述结构主体的底部，所述烟雾装置设置于所述结构主体的顶部。
在一些实施例中，所述应变测量模块沿所述结构主体的X方向、Y方向及Z方向间隔设置。
在一些实施例中，所述电葫芦通过吊钩连接于所述结构主体的顶部。
在一些实施例中，所述结构主体为钢结构，其至少设置两层结构；每层结构的主梁及立柱由工字钢制成，楼面型钢采用槽钢制成。
在一些实施例中，所述火源装置通过法兰连接、铰接或焊接方式与结构主体连接。
在一些实施例中，所述温度测量模块包括铂铑传感器和PT100传感器，所述铂铑传感器临近火源装置设置，所述PT100传感器远离火源装置设置。
本发明有益效果：
本发明提供的一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其结构合理，能够模拟火灾和地震共同作用造成的建筑结构坍塌，制造火灾场景，研究监测到的建筑形变/位移以及温度场等信息，用于分析受损建筑二次破坏的关键监测指标及预警预报方法。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：
图1是本发明所述一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统的示意图；
图2是本发明所述结构基础的示意图；
图3是本发明所述火源装置通过法兰连接于结构主体的示意图；
图4是本发明所述火源装置铰接于结构主体的示意图；
图5是本发明所述火源装置焊接于结构主体的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明进行详细说明。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
本申请所述一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统的示意图，如图1所示，其包括结构基础10、结构主体20和龙门架30，所述结构主体20设置于所述结构基础10的上方，所述龙门架30通过电葫芦40与结构主体20连接并罩设于结构主体20的上方。
进一步地，所述结构基础10包括钢结构基础、液压杆和万向球，其能够带动其上的结构主体20在X方向、Y方向及Z方向移动和/或倾斜，以改变结构主体20的位姿。
图1所示的实施例中，多自由度建筑结构形变模拟试验系统还包括火源装置50。火源装置50固定或可移动地与结构主体20连接。
进一步地，多自由度建筑结构形变模拟试验系统还包括烟雾装置60，其设置于结构主体20的内部，以模拟火灾现场的情况。
进一步地，多自由度建筑结构形变模拟试验系统还包括测量装置70，所述测量装置70包括应变测量模块71、位移测量模块72和温度测量模块73，其连接于结构主体20，以测量建筑结构形变模拟试验过程中的数据。
图2是本发明所述结构基础的示意图，所述结构基础10包括上层基础11、下层基础12和侧边基础13，所述上层基础11和下层基础12为矩形框结构，两者之间设置有液压杆14，所述液压杆14通过万向球与上层基础11及下层基础12连接，以改变Z方向的移动和/或倾斜；
所述侧边基础13设置于上层基础11及下层基础12的侧方，其通过液压杆14及万向球连接于上层基础11的侧方，以控制X方向和Y方向的移动和/或倾斜，同时增加稳定性，避免仅采用上层基础11及下层基础12之间的液压杆时结构基础容易倾倒。
进一步地，所述侧边基础13为上窄下宽的梯形结构，如图2所示，侧边基础13的下部长边与下层基础12固定连接，所述液压杆14的一端抵接于所述侧边基础13的上部窄边，另一端抵接上层基础11。侧边基础13上窄下宽的梯形结构保证侧边基础13稳定，而使液压杆14仅能驱动上层基础11。
图2所示的实施例中，侧边基础13为2个，其中一个侧边基础13沿X方向通过两个液压杆14与上层基础11连接，另一个侧边基础13沿Y方向通过一个液压杆14与上层基础11连接。侧边基础与上层基础之间液压杆的数量可以根据侧边基础与上层基础的规格大小进行调整，以使受力均匀，便于控制。
进一步地，所述火源装置50设置于所述结构主体20的底部，所述烟雾装置60设置于所述结构主体20的顶部。
本发明中，烟雾装置60包括发烟模块，发烟模块为现有的发烟模块，其可以包括伺服电机、行星减速机、风机、烟箱、转盘和出烟筒；烟雾装置60还包括喷雾模块，喷雾模块为现有的喷雾模块，其可以包括水泵、电磁阀、过滤器、水箱、喷头、水管、水处理装置。
本发明中，所述应变测量模块71沿所述结构主体20的X方向、Y方向及Z方向间隔设置。
所述电葫芦40通过吊钩连接于所述结构主体20的顶部。进一步地，所述结构主体20为钢结构，其至少设置两层结构；每层结构的主梁及立柱由工字钢制成，楼面型钢采用槽钢制成。
本发明中，结构主体20的内部设置有陀螺仪传感器，以测量结构主体20的倾斜角度。
进一步地，电葫芦40由变频器控制，通过计算受力数据和位移数据，可实时控制拉力与运动速度。在倾斜过程中电葫芦40控制力传感器受力为0，电葫芦40不会影响钢结构模拟的荷载。根据电葫芦40的位移传感器数据和采集到陀螺仪传感器的数据计算倾斜角度；当钢结构达到设置的角度后，电葫芦40位移不在变化，使钢结构固定在设置的角度且不会倾倒。
试验完成后，将损坏的钢结构部分取出，使用电葫芦40把整体拉回原始状态，更换损坏的部件后可进行下次试验.
所述火源装置50可以与结构主体20固定连接，以测试固定位置火源的影响，包括通过法兰连接方式与结构主体20连接，如图3所示，以方便模拟倒塌后更换火源装置50；在一些实施例中，火源装置50通过铰接方式与结构主体20连接，如图4所示；此外，火源装置50也可以通过焊接方式与结构主体20连接，如图5所示。
作为进一步改进，所述火源装置50可移动地设置于结构主体20内部或外侧，具体地，结构主体20的内部或外侧的主梁和/或立柱和/或楼面上设置滑槽，火源装置50包括滑轮和伺服机构，通过伺服机构带动滑轮在滑槽中移动，以使火源装置50在主梁和/或立柱和/或楼面上进行位移。如此方便调整火源位置，评估不同火源位置导致的模拟数据，火源装置50在结构主体20外侧时，用于模拟结构外墙火灾。
火源装置50可采用任何现有的火源装置，如包括依次连接的燃料罐、燃料传输管、转子流量计、风机、燃烧器，燃料传输管上设置阀门，通过阀门调节燃料供应速度，从而得到需要的火源大小。
本发明中，火源装置50与结构主体20固定连接时，所述温度测量模块73包括铂铑传感器和PT100传感器；所述铂铑传感器临近火源装置50设置，具体地，临近火源装置50设置的铂铑传感器选用量程范围0-1600℃的铂铑传感器；所述PT100传感器远离火源装置50设置，PT100传感器选用量程范围为-200-600℃的PT100传感器，以提高测量精度。
火源装置50可移动地与结构主体20连接时，温度测量模块73可移动地与结构主体20连接，以使铂铑传感器临近火源装置50设置，PT100传感器远离火源装置50设置。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明提供的一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其结构合理，能够模拟火灾和地震共同作用造成的结构坍塌，制造火灾场景，研究监测到的建筑形变/位移以及温度场等信息，用于分析受损建筑二次破坏的关键监测指标及预警预报方法。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，包括结构基础(10)、结构主体(20)和龙门架(30)，所述结构主体(20)设置于所述结构基础(10)的上方，所述龙门架(30)通过电葫芦(40)与结构主体(20)连接并罩设于结构主体(20)的上方；所述结构基础(10)包括钢结构基础、液压杆和万向球，其能够带动其上的结构主体(20)在X方向、Y方向及Z方向移动和/或倾斜，以改变结构主体(20)的位姿；还包括火源装置(50)和烟雾装置(60)，其设置于结构主体(20)的内部，以模拟火灾现场的情况；还包括测量装置(70)，所述测量装置(70)包括应变测量模块(71)、位移测量模块(72)和温度测量模块(73)，其连接于结构主体(20)，以测量建筑结构模拟试验过程中的数据。
2.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述结构基础(10)包括上层基础(11)、下层基础(12)和侧边基础(13)，所述上层基础(11)和下层基础(12)为矩形框结构，两者之间设置有液压杆(14)，所述液压杆(14)通过万向球与上层基础(11)及下层基础(12)连接，以改变Z方向的移动和/或倾斜；所述侧边基础(13)设置于上层基础(11)及下层基础(12)的侧方，其通过液压杆(14)及万向球连接于上层基础(11)侧方，以改变X方向和Y方向的移动和/或倾斜。
3.根据权利要求2所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述侧边基础(13)为上窄下宽的梯形结构，所述液压杆(14)的一端抵接于所述侧边基础(13)的上部。
4.根据权利要求3所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述侧边基础(13)沿X方向设置有两个液压杆(14)，其沿Y方向设置有一个液压杆(14)。
5.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述火源装置(50)设置于所述结构主体(20)的底部，所述烟雾装置(60)设置于所述结构主体(20)的顶部。
6.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述应变测量模块(71)沿所述结构主体(20)的X方向、Y方向及Z方向间隔设置。
7.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述电葫芦(40)通过吊钩连接于所述结构主体(20)的顶部。
8.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述结构主体(20)为钢结构，其至少设置两层结构；每层结构的主梁及立柱由工字钢制成，楼面型钢采用槽钢制成。
9.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述火源装置(50)通过法兰连接、铰接或焊接方式与结构主体(20)连接。
10.根据权利要求1所述多自由度建筑结构形变模拟试验系统，其特征在于，所述温度测量模块(73)包括铂铑传感器和PT100传感器，所述铂铑传感器临近火源装置(50)设置，所述PT100传感器远离火源装置(50)设置。
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