CN1627056A - 热力耦合实验台 - Google Patents

Abstract

本发明是一种热力耦合实验台，涉及对建筑构件或结构在火灾场景下的响应行为进行实验和研究的设备。包括加热系统和力加载系统，以及数据采集与控制系统，其特征在于：加热系统中的加热炉为分合式，由两个炉体组成，安装在移动平台上，两者炉口相对，在两个炉体之间设置有试件安装台；炉口的对接或封闭采用可塑性热力框或试件作为接口或封口。本实验台解决了实验过程中对试件同时施加力载荷与热载荷的兼容性问题，可开展快速升温、多种受火方式——尤其是重大建筑火灾作用下各种构件的多面受热方式的实验，可为试件提供不同的边界条件。

Description

热力耦合实验台

技术领域

本发明涉及对建筑构件或结构在火灾场景下的响应行为进行实验和研究的设备。

背景技术

现有用于火灾条件下建筑构件与结构实验的相关实验台，主要分为垂直炉和水平炉，采用的都是整炉方式，炉体一般都是固定的，绝大部分只能开展板、梁等简单构件的热响应实验。力载荷的施加通常只能用均布砝码的方式加以实现，但这样往往无法施加大的力载荷与动态力作用，更无法较为真切的模拟建筑构件或结构所承受的力载荷。部分实验台采用横跨加热炉的加载装置，虽然可以获得比较大的力载荷，但增加了炉体被破坏的可能性，同时也约束了试验的多样性，增加了试验准备工作的难度。由于炉体固定，试件的几何结构与加热模式也受到了极大限制，试件的准备与安装工作难度加大。试件受力破坏变形后，可能对加热炉造成毁坏，也是约束现有实验台使用的一个重要因素。由于以上因素的限制，现有实验台的功能都较为单一，特别是对在热--力耦合作用下的实验工作，研究的对象和研究的范围受到了很大的限制，无法开展多种形式的实验工作，不能对火灾条件下建筑结构的行为进行更为深入的研究。

因此，如何对多种形式的建筑试件在施加力载荷的同时，又可以模拟火灾环境、对试件施加热载荷并提供多种形式的热学与力学边界条件，是一个迫切需要解决的问题。要解决以上问题，就必须解决加热系统、力加载系统以及试件研究需求的相互兼容问题，目前所存在的固定式的水平炉和垂直炉无法满足热--力耦合试验的深入研究工作的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对建筑构件或结构同时施加热载荷和力载荷、模拟火灾条件下的热学与力学环境的热力耦合作用实验台。

本发明的技术解决方案如下：

整个实验台包括加热系统和力加载系统，以及数据采集与控制系统，本发明的特征在于加热系统中的加热炉为分合式，由两个炉体组成，两者炉口相对，在两个炉体之间设置有试件安装台；炉体安装在移动平台上，分别位于试件安装台的两侧，移动平台与基础面之间采用导轨导轮连接，以驱动机构带动沿导轨作相向运动；两个炉体运动到试件安装台的预定位置处将炉口对接，此时试件位于两炉口之间、试件受热面暴露在炉体内；或者，单个炉体运动到试件安装台的预定位置处将炉口封闭，此时试件位于炉口处、试件受热面暴露在炉体内。

在上述方案中，所述的炉口对接或封闭采用可塑性热力框作为接口或封口，可塑性热力框的形状、尺寸与试件及加热炉炉口的形状、尺寸相适应；框体上根据需要预留试件孔或者加力孔，其形状、尺寸、数量及位置与试件和传力臂的形状、尺寸以及试件的受热、受力方式相适应。

在上述方案中，所述的力加载系统为四柱力学框架结构，四柱下端增加用以支撑试件的辅助支撑梁。

也就是说，本发明针对现有技术存在的问题，首次提出了以分合式的双向运动加热炉及其可塑性热力框的接口或封口、四柱力学加载系统、数据采集与控制系统而组合成的实验台结构体系。此实验台系统，解决了实验过程中对试件同时施加力载荷与热载荷的兼容性问题。使得在实验过程中，试件可以在各种不同的力与热的耦合作用下发生变形，而且变形不会对加热炉造成不利影响。既保证了力学系统与热学系统的相对独立性，又能满足实验要求。同时，结合美国911事件，火灾导致世贸中心1号、2号、7号楼最后倒塌的结果，本实验台重点着眼于重大建筑火灾作用下建筑结构的性能反应。与目前已有的加热系统相比较，本实验台可开展快速升温、多种受火方式——尤其是重大建筑火灾作用下各种构件的多面受热方式的实验，可为试件提供不同的边界条件。从而得以满足对重大建筑火灾条件下复杂建筑结构实验的研究需要。为深入而科学地认识火灾作用下建筑构件行为与建筑结构坍塌的条件提供研究平台。

这种方式极大提高了实验台操作的灵活性，增加了实验的多样性，降低了实验人员的工作强度与实验准备时间，整个系统的自动化程度高，测量与控制系统采用微机反馈控制方式，使测量结果更为准确，可满足多种几何形状与结构的试样(如：建筑节点、框架、网格结构等)的实验需要。从而极大提高了实验台的效益与性能。

同时，实验台可以分别单独开展热学实验与力学实验，并具有很好的扩充性，如在四柱力学系统的中间区域额外安装冲力系统，可以开展冲力与热的耦合作用实验等等。

附图说明

图1给出了热力耦合实验台的系统原理框图。

图2给出了实验台结构示意图。

图3、图4分别给出了移动平台结构示意图的主视、侧视图。

图5、图6分别给出了加热炉结构示意图的主视、侧视图。

图7、图8给出了四柱力加载系统的框架结构以及试件支撑件结构示意图。其中，试件支撑件分别为支撑墩结构(图7，可适用于非受限试验)、辅助支撑梁结构(图8，可适用于受限或非受限试验)。

图9～18给出了可塑性热力框典型结构示意图。其中，图9～12反映试件受热方式，分别为三面、单面、两面、单面(但顶面暴露于空气中)受热；图13～18反映试件受力方式，分别为L型节点、十字型节点、柱、T型节点、梁、L型节点(但节点在炉外)的受力示意图。

图中各部件的标号如下：1--加热炉，2--四柱力学框架结构，3--移动平台，4--可塑性热力框，5--试件安装台，6--试件，7-变速箱，8--力作动器，9--力分配梁，10--传力臂，11--燃烧器安装孔，12--导轨，13--导轮，14--齿条，15--齿轮，16-载炉平板，17--电动机，18--加热炉炉墙，19--加热炉炉腔，20--吸火孔，21--烟道，22--承力主横梁，23--支撑墩，24--辅助支撑梁。

具体实施方式

实验台的总体结构及工作过程如下：

实验台结构主要由可相对运动的分合式的加热炉，双向运动的移动平台，可塑性热力框，四柱框式力加载系统，数据采集与控制系统组成。由于采用双向运动加热系统，这样在实验台的中间区域可以设置一易于工作人员操作的试件安装台，以便于对实验试件的准备与安装。首先将加热炉分离，实验试件安置于移动平台之间的试件安装台上，通过试件安装台上方的四柱框式力学加载系统中的力作动器对试件施加力载荷，然后利用双向运动的移动平台，使加热炉的两个炉体相对运动至预设的位置处对接。加热炉的对接处可通过热力框或试件本身进行围合，以形成封闭的炉腔。开启加热炉燃烧系统对试件施加热载荷，试件在热—力耦合作用下的响应行为通过数据采集系统进行采集，同时可通过传感器与微机控制系统对加载系统的力载荷与加热炉炉腔的温度、压力进行反馈控制。

加热炉的两个炉体也可分别单独运动至预定位置，开展实验工作。此时加热炉的炉口可通过热力框或试件本身进行封闭。不启用加热炉时，实验台也可开展常温下的力学实验工作。

实验台可开展以下研究工作：对梁、柱、板等一般构件进行多种力学荷载和热负荷的研究；对建筑节点与框架结构进行研究；对多跨网格建筑结构进行研究；对不同材料(钢筋混凝土、钢结构等)的试件进行研究等等。

实验台的各主要部分的结构特点与功能：

1、加热系统

加热系统是整个实验台的核心部分，它所要完成的功能是模拟火灾场景下构件所处的温度环境，对试件施加热载荷。它包括分合式加热炉和移动平台。

加热炉主要由炉体，燃烧系统及其自控系统组成。与其它实验台不同的是，本实验台加热炉的炉体为分合式，由两个可相对运动闭合或分开的炉体组成，两者炉口相对，分别位于力加载系统的两侧，在两个炉体之间的区域设置有试件安装台。这两个炉体可相互结合组成一个整体开展实验，也可单独开展实验。当构成整体时，两个炉体的炉口应将被测试件夹在中间、然后对接，使试件受热面暴露在炉体内。当试件形状、尺寸与炉口形状、尺寸相适应时，试件即可作为两个炉口之间的接口(例如矩形框架内侧面受热的试件)；如果不合适，则可通过隔热材料制作的可塑性热力框将被测试件作适当包覆、通过两个炉体的炉口将可塑性热力框夹住，使试件受热面暴露在炉体内，可塑性热力框即可作为两个炉体之间的接口。为便于夹持，可在炉口周围设置活动手柄用以将两个炉体之间固紧。当某个炉体单独使用时，应将被测试件置于炉口处、使试件受热面暴露在炉体内。与前述对接情况相似，可采用试件本身(例如矩形板材单面受热的试件)或通过可塑性热力框作为封口、对炉口进行封闭。炉体内的燃烧系统以对角线布置为佳，便于形成热流循环，使热量分布均匀。它不仅可提供标准温升火灾环境，也可模拟重大建筑火灾条件下快速温升的热环境。还能为试件提供多种受火方式和热学边界条件(如为板提供双面受火的边界条件、或一面受火一面水冷恒温条件等)，从而为更深入和全面的实验研究工作提供条件。

加热炉安装在移动平台上，该移动平台是实现加热炉两炉体运动至预定位置的承重驱动平台。为提高实验台自动化程度，可采用双向电动平台的形式，移动平台与基础面之间采用导轨导轮连接，以电机驱动机构带动使移动平台沿导轨作相向运动。它使整个实验装置能够更为紧凑地组合在一起。

2、可塑性热力框

可塑性热力框是本发明提出的用于实现加热系统、力加载系统以及试件研究需求相互兼容的主要部件。在试件不能单独作为接口或封口时，就要采用可塑性热力框作补充，使炉口对接或封闭。它是采用轻型隔热材料(例如高铝纤维、多晶莫来石纤维、氧化铝纤维等)制作的框体，呈立体状，其形状、尺寸应与试件及加热炉炉口的形状、尺寸相适应，并可根据实验需要进行适时裁制加工，以适应不同试件的需求。它作为热力耦合实验台加热系统与力加载系统耦合的接口，所有的加工孔都在其上制作，以保证炉体的完整性：框体上应预留允许试件穿过的试件孔，以使试件受热面处于加热炉内而试件支撑点处于加热炉外；还应根据施加力载荷的方式所需而预留允许传力臂穿过的加力孔(传力臂应采用耐高温的刚性材料制作，例如碳化硅材料，它可单独使用、或与力分配梁一起使用，将力作动器所施加的力传递给试件)，以使力作动器以及试件支撑件处于加热炉外，保证力加载系统的各个器件免受高温热作用。试件孔和加力孔的形状、尺寸、数量及位置与被测试件和传力臂的形状、尺寸以及被测试件的受热、受力方式相适应。图9～18中给出了几种典型的例子(但并不限于此)。当使用单个炉体时，可塑性热力框应与试件相适应、两者一起组合成“整体”，对炉口起到封闭的作用。

可塑性热力框的强度、柔韧性以及几何加工形状可根据不同实际需要加以选择。由于可塑性热力框具有很好的可塑性能与缓冲性能，因而可根据试件的几何形状加于加工，同时在试验过程中不会因为边框受力而受损以至影响试验，其适当的柔软性还能保证试件边界力学条件在实验过程中的一致性。

3、力加载系统

力加载系统是热—力耦合实验台中对试件施加力载荷的部分，被用来模拟火灾环境中试件所处的力学环境与受限约束条件。本发明采用常规的四柱框式力加载系统，主要由四柱力学框架、力载荷控制系统、液压式力作动器、液压油源、分油器及管路系统等组成。它可按预设的载荷形式为试验提供动载荷。

同时，可在四柱下端增加辅助支撑梁用以支撑试件。与通常所用的支撑墩不同的是，在开展梁构件试验时，辅助支撑梁与四柱框架及试件一起构成了自反力框架体系，降低了对地基的影响；当试件所处位置较高时，用辅助支撑梁支撑也可增加稳定性，避免了采用高支撑墩所带来的失稳问题；并且，辅助支撑梁可为试件提供受限约束边界条件，足以承受试件膨胀受限所产生的内部生成力，从而更能模拟符合实际火灾中的力学边界条件。

在开展较低位置的试验时，还可以采用试件安装台上的支撑墩支撑试件。

而且，由于采用四柱框式力加载系统，试件安装台的侧面没有阻挡，使试件的长度不受加载系统的限制，从而使实验系统满足多跨网格结构等实验的要求。

4、数据采集与控制系统

计算机数据采集及监控系统主要用来完成对火灾实验台整个流程所必需的数据采集，顺序控制，时间控制，回路调节及上位监视作用(可利用已有技术)。本发明采用的是一个集中监视分散控制的系统，当上位监视设备发生故障或没有使用时，现场各控制设备还可以继续工作，对整个实验过程没有影响。系统的主要构成部分有：智能仪表，上位监视设备及数据通讯。

上位计算机控制主要用于监视实验处理过程中的技术参数，设备运行状态以及系统维护等；当反馈参数达到预设临界值时，可启用紧急反应系统，中断实验过程。同时，工程师可对控制模式以及参数等进行修改。

本实验台将采用激光等非接触测量方式来测试构件的形变位移，提高了测量的精度。同时采用红外热像仪测试建筑构件的背火面温度场，并利用超声波测试仪测试材料的性能与火灾后的损坏情况，实验台可测试受火后试件的应力、应变参数。

数据采集所选用的传感器根据GB9978-88进行选用，主要测量信号包括：炉腔温度与压力，试件温度、挠度以及端部压力等。

通过计算机监控系统对加热炉炉体位置、炉腔温度与压力、载荷力等参数进行反馈控制。

本发明实验工作过程如下：1、提升力加载作动器，分开加热炉，空出试件工作区；2、在工作区内准备实验试件，安装热电偶、位移传感器等实验测量装置；3、在试件周围用可塑性热力框加以围合；4、对试件施加力载荷；5、合上加热炉，加上可塑性热力框，形成一个加热炉整体；6、启动燃烧装置，施加热载荷；7、开始实验，采集实验数据；8、实验结束，关闭燃烧器，卸去力学加载；9、加热炉两部分反向运动而分开；10、拆撤测量装置，移走试验试件。

本发明的具体实施例如下(但本发明并不限于此)：

可塑性热力框：以高铝纤维板为材料，厚度取0.4m，外围尺寸与炉体接口处的尺寸相一致为2m×2m，具体强度与形状可根据实际的实验需要加以选择与加工。

加热炉体：炉体采用立方、平吊顶结构，外部尺寸高2m，宽2m，各部分长1m，有效加热面积为1.6m×1.2m。以60号槽钢为骨架，用40号角钢连接，形成坚固稳定的钢架结构，外表面采用不锈钢板封装，组成炉体的外部形态、支撑耐火材料并保护耐火材料不受外力撞击。隔热层使用高铝纤维毯，由不锈钢钩和高铝陶瓷管挂在钢架上，耐火层采用多晶莫来石纤维。钢架、钢板、隔热层、耐火层一起构成炉墙。这样既坚固耐用，又实现炉体的轻型化。大大提高炉体的保温性能，有利于节约燃料。烟气自炉底吸火孔和烟道进入可伸缩的软管式烟囱经风机排到室外。两炉体分别安装于各自的电动平台上，底部通过载炉平板与电动平台的传动部分相连接，由传动机构牵引，可在水平轨道上前后移动。后移时，两炉体分开，便于装载工件，安装检测仪器；前移时，两炉体对接，接口处采用可塑性热力框或试件本身的边框进行围护封闭，同时可用手柄固紧，合分方便自如；或者单个炉体独自使用，炉口采用可塑性热力框或试件本身所构成的平面进行围护封闭，以适当的夹具固紧。炉体内形成封闭的炉腔，提供燃烧空间。

燃烧系统：燃烧采用国际先进的比例燃烧技术，可以根据实验要求把温度控制在一定的温度范围内。液化气主管路由调压器、稳压、安全保护装置组成，确保供气的稳定和安全。燃烧器选用两只30KW的丙烷燃烧炉头。试验温度可达1000℃，炉头交错分布在炉体两侧墙上。燃料采用丙烷气体。炉头的助燃空气管道上装有伺服马达驱动的碟阀，自动调整助燃空气的流量和风压，同时在燃气管道上有一只比例阀控制燃气的流量，从而实现燃气空气成比例变化。温控由热电偶，补偿导线，程序温度控制器，伺服马达组成。热电偶，补偿导线将温度信号送入温控器中，温控器将采样来的信号和程序设定温度比较后，经PID调节后，产生一个标准电流信号至伺服电动机来控制火焰的尺寸，从而达到控制炉腔温度的目的。该智能温度控制器可以预输入程序(升温曲线)，加热器启动后，温度会随着程序设定值的变化而变化，不需要人为干预，从而保证实验的准确性和重复性。控制及监视系统将符合相应的IEC标准和中国标准：GBJ93-88。

双向电动平台：

A)车体结构部分：

双向电动平台基础由4根2米长钢质导轨做基准，主要起负载平台、炉体和导向作用，4个导轮在其上面往复滚动，带动车体。车体由8号钢组成框架，框架面上铺A3钢板的载炉平板，其厚度为10mm，框架下有导轮支架和齿条定位板及齿条。

双向电动平台外围由12号槽钢制作成防护框架及隐蔽型导管电路槽，框架面由2mm厚花纹板做面板，安装成型。其外围为半隐蔽式安装。

B)车体传动部分：

双向电动平台载炉车移动结构主要由电动机(2.2KW)为动力源，电动机启动后通过连轴器带动变速箱，由变速箱做出所需转速后，再由连轴器作用给动力齿轮，通过动力齿轮对装在电动平台载炉车下的齿条咬合，使电动平台载炉车在导轨上往复移动，电动平台载炉车往复移动是通过电器部分转换而成。

双向电动平台的移动采用齿轮与齿条咬合，两端装有限位装置，用以保证电动双向平台载炉车在规定行程范围内往复行驶，不得超过行驶范围。

四柱力学框架结构：本机系统根据热力实验公称50T压力设计制造，当然也可选择其他规格载荷尺寸，只要对四柱框架结构做适当的调整即可。力学框架通过预埋的地脚螺栓固定在地面上，高5m，宽1.4m，长3.1m。外形结构为四柱框架式，由立柱、承力主横梁、辅助支撑梁和50T液压动力头(即力作动器)等部件组成。立柱采用32号工字型钢。实验工作压力的传输，主横梁的升降以及双向电动平台的控制全部采用由控制台按指令实行自动控制。横梁通过8根高强螺栓和辅助支撑梁与立柱连接在一起，主横梁下工作面安装有承载50T液压动力头，实验工作压力的传输通过高压油路经控制台按指令实现自动工作，实验工作压力的指示通过液压系统的压力指示和安装于动力头部位的压力传感器可实现与微机对接，通过位移标尺可记录实验体表面受力弯曲变形位移。为实现对实验体的多点同时不同压力的试验，主横梁下工作面设有动力头可移动键槽和特殊锁紧装置，可实现主横梁同时安装多个动力头和主动力头在主横梁受力面做多点平滑位移并配有可伸缩高压供油系统。

数据采集系统：采用激光位移计与绳式位移计或差动位移计测量试件的挠度，这些位移计固定在与四立柱相连、横跨加热炉的支架上。采用镍铬镍硅型号的热电偶，预埋在试件内预定位置或与铜片焊贴在试件表面，对温度场进行测量。采用力传感器对试件端部的力进行测量。采用红外热像仪对试件表面的温度场变化过程进行热成像。利用超声波测试仪测试材料的性能与火灾后的损坏情况。所有的数据采集与控制均通过计算机数据采集及监控系统自动采集控制。

实验举例：

a、多跨网格建筑结构热力耦合实验

网格结构的一个单元与加热炉的炉口相衔接(单元结构作为接口)。在其上部加载力作用研究多跨网格局部单元受火对其它单元以及整个网格结构的影响情况。

b、钢框架结构热力耦合实验

门式钢框架处于加热炉的炉口处，同时利用可塑性热力框对试件下边进行围护封闭。对钢框架内部受热后的性能响应行为进行研究。

c、钢梁端部受限热力耦合实验

将钢梁的端部固定在四柱力学框架的辅助支撑梁上，在钢梁的上部施加力载荷，合上加热炉，并利用可塑性热力框加以围合，施加热载荷，开展实验。

Claims (3)

1、一种热力耦合实验台，包括加热系统和力加载系统，以及数据采集与控制系统，其特征在于：加热系统中的加热炉为分合式，由两个炉体组成，两者炉口相对，在两个炉体之间设置有试件安装台；炉体安装在移动平台上，分别位于试件安装台的两侧，移动平台与基础面之间采用导轨导轮连接，以驱动机构带动沿导轨作相向运动；两个炉体运动到试件安装台的预定位置处将炉口对接，此时试件位于两炉口之间、试件受热面暴露在炉体内；或者，单个炉体运动到试件安装台的预定位置处将炉口封闭，此时试件位于炉口处、试件受热面暴露在炉体内。

2、如权利要求1所述的热力耦合实验台，其特征在于：所述的炉口对接或封闭采用可塑性热力框作为接口或封口，可塑性热力框的形状、尺寸与试件及加热炉炉口的形状、尺寸相适应；框体上根据需要预留试件孔或者加力孔，其形状、尺寸、数量及位置与试件和传力臂的形状、尺寸以及试件的受热、受力方式相适应。

3、如权利要求1所述的热力耦合实验台，其特征在于：所述的力加载系统为四柱力学框架结构，四柱下端增加用以支撑试件的辅助支撑梁。

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