CN204439387U - 一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置，包括：滑动梁、组合弹簧、辅助反力架、加载柱、压力传感器、滑动支座、试件支座及其它若干节点连接形式，其中辅助反力架由横梁、跨中组件和支撑柱构成。配合已经存在的试验火炉、反力架和液压千斤顶可组装成一整套抗火试验装置。本实用新型利用这种装置可研究轴向受约束构件、特别是大长细比轴向受约束构件，精确把控约束刚度，获取受约束构件在受火屈曲前、屈曲、屈曲后、甚至降温阶段全过程的温度、轴力和位移等数据，为研究受约束构件在受火状态下的力学特性、变形行为和破坏特征等奠定基础。

Description

一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种建筑结构抗火试验领域，具体涉及一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置。

背景技术

自上世纪九十年代以来，结构抗火研究开始从独立构件进展到基于结构连续性的构件抗火性能的试验与理论研究。众多研究成果表明，由于结构的连续性，构件间的相互约束会产生两方面影响，一方面对构件的轴向膨胀产生约束，降低构件的临界温度；另一方面，当构件屈曲后，约束将分担构件丧失的承载力，表现为构件具有一定的屈曲后强度。例如，在大空间建筑火灾场景中，由于烟气温度的非均匀分布和局部火焰辐射，导致网架屋盖结构非均匀升温，将引起构件间的轴向温度变形不相同，杆件间形成相互约束，从而产生附加温度内力，使火灾下整体结构中构件的力学反应区别于单独构件的力学反应。

现行《建筑钢结构防火技术规范》CECS 200:2006规定的抗火设计方法，将构件从整体结构剥离出来，以保证单个构件在火灾下的耐火能力，来实现整体结构的火灾安全。这种设计方法没有考虑构件的约束效应，在实际工程中造成的后果是要么防火保护措施不够，要么造成浪费。所以，研究约束构件的抗火性能和破坏形式，具有非常重要的意义。

目前的国内外的抗火试验中，一般由简支H型钢梁提供约束，但该种装置存在两个问题：1、H型钢梁提供的约束刚度由钢梁的截面特性得到，不易准确得到满足试验要求的约束刚度；2、H型钢梁在跨中产生较小挠度时，就会产生塑性变形，在试验过程中无法提供持续的弹性约束。这些问题导致试验试件的长度较小，同时只能研究屈曲前和屈曲时试件的力学反应，无法研究构件屈曲后和降温过程中的力学行为特性。因此实用新型一种新型的约束装置，可方便而准确地提供试件轴向弹性约束刚度，完善对受约束构件火灾中全过程力学反应研究，对科学地实施约束构件抗火试验具有重要的应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置，利用这种装置可研究受轴向受约束构件、特别是大长细比轴向受约束构件，精确把控约束刚度，获取受约束构件在受火屈曲前、屈曲、屈曲后、甚至降温阶段全过程的温度、轴力和位移等数据，为研究受约束构件在受火状态下的力学特性、变形行为和破坏特征等奠定基础。

本实用新型采用的技术方案为：一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置，包括试验火炉、火炉顶部框架梁、反力架、液压千斤顶、滑动梁、组合弹簧、辅助反力架、压力传感器、螺栓型滚轮轴承、槽钢、加载柱、试件、试件支座一、试件支座二；

所述反力架包括反力架横梁和反力架立柱，所述反力架横梁固定在两根反力架立柱之间，反力架立柱通过固定支座固定在试验火炉的火炉顶部框架梁上；

所述液压千斤顶固定在反力架横梁内侧，所述滑动梁的一侧通过垫块与液压千斤顶连接，滑动梁的另一侧通过压力传感器与加载柱连接，滑动梁的两端通过滑动梁端板分别固定有螺栓型滚轮轴承，螺栓型滚轮轴承内设置有作为滑动梁的直线导轨的光圆钢筋，光圆钢筋焊接在作为滑动支座的槽钢上，槽钢固定在反力架立柱内侧；

所述试件安装设置在试验火炉内，试件的一端通过试件支座一固定在反力架横梁内侧，试件的另一端通过试件支座二与加载柱连接；

所述辅助反力架包括辅助反力架支撑柱、辅助反力架横梁和跨中组件，所述跨中组件的两端分别连接有辅助反力架横梁，辅助反力架横梁固定在反力架立柱上，辅助反力架横梁与反力架立柱之间安装有辅助反力架支撑柱，所述加载柱穿过跨中组件，所述辅助反力架横梁与滑动梁之间设置有组合弹簧。

作为优选，所述滑动梁上设有滑动梁加劲肋，所述槽钢上设有槽钢横向加强板。

一种上述可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)通过试验所需约束刚度选定弹簧规格和组合个数，并制作弹簧套；

(2)安装反力架、辅助反力架、弹簧、液压千斤顶和压力传感器，并在滑动梁跨中设置位移计，千斤顶缓慢加载，记录加载荷载和滑动位移，得出组合刚度，并与理论计算得到的约束刚度比较，若试验值与理论值差距较大，则需多次测量并取平均值，最终确定约束刚度；

(3)释放荷载，并重新加载，使滑动梁滑移一端距离，此时约束弹簧处于压缩状态；加载之前，需计算出试件的受火轴向最大稳膨胀量，以便使弹簧在试件膨胀阶段仍处于受压状态，提供持续有效的约束力；

(4)在试件上布置热电偶和位移延伸计，安装试件并将压力传感器与线路集成器相连；

(5)液压千斤顶再次加载，使加载柱顶端的压力传感器的数值达到预先设定的值；

(6)密封试验火炉，按设计的升温曲线进行升温，并记录数据；

(7)当试件达到预定的状态时，熄火降温，并卸载、停止数据记录；当温度降至常温时，打开密封装置，观查试件变形、破坏特征，测量变形挠度。

由于标准压缩弹簧的弹性系数精确，并具有较大的压缩量程，所以，用不同数量及不同弹性刚度的弹簧可制备符合试验要求的组合弹簧。这种组合弹簧用于约束构件受火试验时，需在常温下进行初压缩，使弹簧产生符合要求的初始位移量，以保证约束构件在整个高温历程中，弹簧始终处于压缩行程内。从而为试件提供精确有效的约束力。

在已有的约束试件受火试验中，一般由简支H型钢梁提供约束，但是，H型钢梁在跨中产生较小挠度时，就会发生塑性变形，无法在整个试验历程中对构件提供稳定的弹性约束。

使用标准弹簧及其配套构件组成约束装置则完全不存在上述情况，可充分利用弹簧的弹性压缩性能，为试验试件提供精确、持续的弹性约束，而且，弹簧装置拆装方便，代换不同规格和数量的弹簧即可提供不同刚度的轴向约束。

有益效果：本实用新型装置具有约束精确度高、拆装方便、可操作性强、适用性广等特点。

(1)整个装置均通过螺栓连接，拆装快捷、方便。

(2)充分利用水平构件试验火炉，来研究轴向约束构件，增加了火炉的利用率。

(3)通过改变弹簧规格和数量能够精确获得不同的约束程度，同时通过简单的试验可检验组合弹簧的约束刚度，保证约束刚度足够精确。

(4)弹簧具有较大的压缩变形能力，优势颇多；1允许在试验之前事先压缩弹簧，用来保证试件在膨胀阶段，弹簧仍可提供有效的约束力；2构件屈曲时，往往伴随较大的轴向变形，从而使一般由约束H型钢梁提供的约束力的钢梁产生很大的跨中挠度变形，当梁的跨中变形超过一定值后，就会产生塑性变形，而无法为试件提供持续有效的约束刚度，基于这种情况，目前的约束试验绝大多数只对较短长度的试件进行试验研究，或者只研究到构件屈曲时就停止试验，再者允许约束梁产生塑性变形，通过后期的有限元软件处理，将这种塑性变形的影响祛除掉。而妥善利用弹簧具有较大压缩变形的特性，则不存在上述情况。

该装置可适应大长细比约束构件在膨胀和屈曲后阶段轴向变形的需要，进而可获取约束钢管在整个受火过程中的变形行为、力学性能和破坏特征等数据，适应了现在对结构整体进行研究的需求，并对优化结构抗火设计方法，和消防工作具有指导意义。

附图说明

图1是本实用新型抗火试验装置结构示意图；

图2是本实用新型轴向弹性约束装置结构示意图；

图3是图2中A点局部平面示意图；

图4是图2中A点局部立面示意图；

图5是本实用新型滑动梁结构示意图；

图6是图2中B点局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

如图1-6所示，一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置，包括试验火炉1、火炉顶部框架梁2、反力架、液压千斤顶5、滑动梁6、组合弹簧、辅助反力架、压力传感器11、螺栓型滚轮轴承12、槽钢13、加载柱14、试件15、试件支座一16、试件支座二17；

所述反力架包括反力架横梁3和反力架立柱4，所述反力架横梁3固定在两根反力架立柱4之间，反力架立柱4通过固定支座固定在试验火炉1的火炉顶部框架梁2上；

所述液压千斤顶5固定在反力架横梁3内侧，所述滑动梁6的一侧通过垫块18与液压千斤顶5连接，滑动梁6的另一侧通过压力传感器11与加载柱14连接，滑动梁6的两端通过滑动梁端板20分别固定有螺栓型滚轮轴承12，螺栓型滚轮轴承12内设置有作为滑动梁6的直线导轨的光圆钢筋21，光圆钢筋24焊接在作为滑动支座的槽钢13上，槽钢13固定在反力架立柱4内侧；

所述试件15安装设置在试验火炉1内，试件15的一端通过试件支座一16固定在反力架横梁3内侧，试件15的另一端通过试件支座二17与加载柱14连接；

所述辅助反力架包括辅助反力架支撑柱8、辅助反力架横梁9和跨中组件10，所述跨中组件10的两端分别连接有辅助反力架横梁9，辅助反力架横梁9固定在反力架立柱4上，辅助反力架横梁9与反力架立柱4之间安装有辅助反力架支撑柱8，所述加载柱14穿过跨中组件10，所述辅助反力架横梁9与滑动梁6之间设置有组合弹簧。所述滑动梁6上设有滑动梁加劲肋19，所述槽钢13上设有槽钢横向加强板22。

所述组合弹簧包括若干弹簧7及与弹簧尺寸相配套的套筒23和封板24，所述弹簧7两端插入套筒23内，套筒23与封板24焊接，两侧封板24分别固定在滑动梁6和辅助反力架横梁9上。

本实用新型试件为大长度圆钢管试件，试验火炉具有炉温控制、炉内压力控制、数据采集、曲线显示、数据存储及安全报警等功能，可为试验提供所需的温度条件。

反力架通过4个固定支座，将其固定在火炉顶部的框架梁上，使炉体与反力架组合成一个整体。液压千斤顶固定在反力架横梁内侧，为试件提供足够的轴向荷载，并具有较大的伸缩位移。

滑动支座主要由槽钢构成，在腹板上穿孔，以便高强螺栓将其固定在反力架立柱内侧。并在两侧翼缘外侧中间位置各焊接一根光圆钢筋，作为滑动梁的直线导轨。滑动梁两端端板上各固定4个螺栓型滚轮轴承，试验过程中滚轮外圈上的U型槽放在光圆钢筋上，可限定滑动梁在沿外荷载方向上自由滑动。在滑动梁跨中位置，外侧翼缘螺栓固定30mm厚钢板，用于承接液压千斤顶施加的外荷载，另一侧则固定压力传感器。

计算好试验所需要的约束刚度后，根据《普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数》GBT2089-2009选定合适的弹簧规格，并确定弹簧的组合个数。弹簧套由内径大于弹簧外径1.5～2mm的钢管及钢管封板组成，其中封板上开圆孔，用螺栓将弹簧套分别固定在滑动梁和辅助反力架横梁上。在试验进行过程中，当需要增卸同种型号的弹簧时，只需将压缩弹簧穿入或拉出弹簧套内即可。

辅助反力架包括有2个横梁、2个支撑柱和1个跨中组件，并由高强螺栓拼装组成。其中，支撑柱一端固定在反力架立柱上，另一端固定在横梁中部；横梁一端固定在反力架立柱上，另一端与跨中组件相连，并与另一横梁共同组成一个整体，放在火炉顶部钢框架梁上；跨中组件是由H型钢、底板、封板及中部贯通的钢管焊接组成，其中底板开圆孔，通过高强螺栓连接在火炉钢框架梁上，用来限定加载柱的移动方向，并承受来自试件的弯矩。

加载柱主要由较大厚度的钢管和两端封板构成，封板开圆孔分别与试件支座和压力传感器相连，用来把一部分外荷载传递给试件。

压力传感器可通过螺栓固定在反力架横梁上，内径为螺纹孔，可将带外螺纹的圆钢拧入，带螺纹圆钢与封板焊接，并与加载柱端板螺栓连接，用来测量试件的轴力。

试件通过高强螺栓连接在螺栓球节点支座上，来模拟铰接方式，与网架杆件的连接方式相一致。

本实用新型其他的连接方式，如：试件端板和加载柱端板通过高强螺栓相连可模拟固结方式；通过试件端板焊接销轴来模拟铰接方式。其他的约束方式，如：将所有弹簧撤掉，可模拟无约束边界条件；将弹簧换为钢管或H型钢，固定滑动梁，可模拟无穷大约束的边界条件。也可不受火，只常温加载，可做受约束常温加载方面的试验。

通过简单变换轴向约束装置的连接和构造形式、尺寸，但基本原理没有变化，仍在专利权利保护范围之内。如将压缩弹簧换为拉伸弹簧或即可拉伸又可压缩的弹簧；将螺栓型滚轮轴承换做其他形式的直线导轨；加大支撑柱尺寸、更改支撑柱与横梁连接角度、增设撑杆；等等。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置，其特征在于：包括试验火炉、火炉顶部框架梁、反力架、液压千斤顶、滑动梁、组合弹簧、辅助反力架、压力传感器、螺栓型滚轮轴承、槽钢、加载柱、试件、试件支座一、试件支座二；

所述反力架包括反力架横梁和反力架立柱，所述反力架横梁固定在两根反力架立柱之间，反力架立柱通过固定支座固定在试验火炉的火炉顶部框架梁上；

所述液压千斤顶固定在反力架横梁内侧，所述滑动梁的一侧通过垫块与液压千斤顶连接，滑动梁的另一侧通过压力传感器与加载柱连接，滑动梁的两端通过滑动梁端板分别固定有螺栓型滚轮轴承，螺栓型滚轮轴承内设置有作为滑动梁的直线导轨的光圆钢筋，光圆钢筋焊接在作为滑动支座的槽钢上，槽钢固定在反力架立柱内侧；

所述试件安装设置在试验火炉内，试件的一端通过试件支座一固定在反力架横梁内侧，试件的另一端通过试件支座二与加载柱连接；

所述辅助反力架包括辅助反力架支撑柱、辅助反力架横梁和跨中组件，所述跨中组件的两端分别连接有辅助反力架横梁，辅助反力架横梁固定在反力架立柱上，辅助反力架横梁与反力架立柱之间安装有辅助反力架支撑柱，所述加载柱穿过跨中组件，所述辅助反力架横梁与滑动梁之间设置有组合弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种可提供构件轴向弹性约束的抗火试验装置，其特征在于：所述滑动梁上设有滑动梁加劲肋，所述槽钢上设有槽钢横向加强板。