CN206096006U - 一种结构构件温升实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种结构构件温升实验装置。数根立柱固定于地面，每根立柱固接一个滑轮，在两排数根立柱内侧分别设有一根横梁，两根横梁的上端与数根缆索的一端连接，数根缆索的另一端分别穿过滑轮系在每根立柱上的索把上；在每根横梁下端，设有数根挂索Ⅰ和数根挂索Ⅱ，数根挂索Ⅱ的下端分别与两块盖板上的吊耳Ⅰ连接，轨道设置在地面上，移动车设置在轨道上，火源装置设置在移动车上；本实用新型的有益效果是：本实验装置具有结构简单、组成部分布置灵活、整体安全性高、实验操作简便、重复利用性好、对实验试件适用性强、获得实验数据丰富等特点。

Description

一种结构构件温升实验装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程领域，具体涉及用于结构构件温升实验研究的一种结构构件温升实验装置。

背景技术

火灾下建筑结构的倒塌给人民群众的生命财产造成了巨大的损失。火灾发生时，结构构件受火源的辐射传热作用和高温烟气的辐射传热、对流换热作用，内部温度不断升高，自身材料力学性能不断劣化。当结构的抗力不足以抵抗外荷载作用时，即发生整体建筑结构的倒塌。影响上述过程的主要因素包括：实际建筑火灾规模的大小及建筑内部环境、结构构件与火源的空间位置关系、结构构件自身特性等。结构构件自身特性主要体现在：构件类型（如：梁、板、大跨空间结构构件）、组成材料、截面形式等。

当前，结合可能发生的火灾，进行结构的整体安全性分析在工程领域显得尤为迫切。受实验条件限制，1:1实际建筑结构的火灾实验罕有进行。建筑结构火灾下整体安全性分析通常采用有限元数值计算的方法。在该方法中，处于建筑空间内不同位置、不同自身特性结构构件的温度数据是数值计算的重要输入参数之一，对分析结果的准确性影响极大。

现有的技术中，结构构件需满足的耐火极限由《建筑设计防火规范》（GB 50016）规定，如一级耐火等级的楼板构件需达到1.50小时的耐火极限，相应的实验在标准火灾实验炉（水平构件耐火实验炉、垂直构件耐火实验炉、柱炉）内开展，实验炉的操作及结构构件所处的炉温环境由《建筑构件耐火试验方法》（GB/T 9978）规定。对结构构件，上述规范基于被动防火设计的思想，主要用于指导结构构件的防火设计和相应的耐火极限检测，且标准火灾实验炉的炉温环境单一，不能反映不同类型建筑内可能发生火灾的规模大小；炉体装置的规格尺寸及试件安装放置方式未考虑结构构件的空间位置特点。因此直接使用标准火灾实验中获得的结构构件温度数据，无法从实际建筑结构特点的角度发现影响火灾下结构整体性能的关键构件，无法经济的指导建筑内部消防设置的布置，用于开展火灾下结构整体安全性分析将带来很大的误差，指导意义有限。

发明内容

鉴于现有技术的状况，本实用新型提供了一种结构构件温升实验装置，克服了现有技术中不能反映不同类型建筑内可能发生火灾的规模大小，未考虑结构构件的空间位置特点的不足，能够根据需要开展不同火源类型、火源规模，处于空间不同位置及放置方式的，不同类型、组成材料、截面形式的构件温升实验研究。获得的构件温度数据可以输入有限元计算软件用于火灾下结构整体安全性分析，进而发现影响火灾下结构整体性能的关键构件，指导实际建筑火灾易发部位的结构构件防火保护、建筑内消防设施的优化布置以及开展潜在火灾下建筑结构整体倒塌破坏的风险分析。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种结构构件温升实验装置，其特征在于：包括立柱、缆索、滑轮、横梁、盖板、火源装置、移动车、轨道，数根立柱的底部固定于地面，每根立柱的顶部固接一个滑轮，在对称设置的两排数根立柱内侧，分别设有一根横梁，两根横梁的上端与数根缆索的一端连接，数根缆索的另一端分别穿过滑轮系在每根立柱外侧上设有的索把上，调整数根缆索的长度，两根横梁可上下移动；

在每根横梁下端，间隔的设有数根挂索Ⅰ、数根挂索Ⅱ，对称设置的两根横梁两侧的数根挂索Ⅱ的下端，分别与两块所述盖板上的吊耳Ⅰ连接，两块盖板间隔设置在两排数根立柱之间的两根横梁的下方，所述轨道设置在两排数根立柱间中心线处的地面上，所述移动车设置在轨道上，所述火源装置设置在移动车上，火源装置可随移动车沿轨道前后移动；

所述火源装置包括漏斗形燃烧器、冷却箱、水油转输箱、液位指示器、冷却水进管、冷却水排管、安全水补充管、补油管、三角形冷却水隔板、散热片；所述漏斗形燃烧器锥形内表面设有液位刻度线；

所述水油转输箱一侧焊接有安全水补充管、补油管，水油转输箱另一侧焊接有液位指示器；

所述冷却箱箱体外的一侧，分别焊接冷却水进管、冷却水排管，冷却箱焊接固定在水油转输箱上；

沿所述漏斗形燃烧器锥形外表面焊接数圈散热片，漏斗形燃烧器置于冷却箱中，漏斗形燃烧器的颈部圆管穿过冷却箱的底面板伸入水油转输箱内与液位指示器的一端焊接在一起，漏斗形燃烧器上端与冷却箱侧壁焊接固定，颈部圆管与冷却箱的底面板焊接固定，

所述三角形冷却水隔板设置在冷却箱内，三角形冷却水隔板相互垂直的两边分别与冷却箱的内表面侧壁及底面板焊接在一起，三角形冷却水隔板斜边穿过数圈散热片与漏斗形燃烧器锥形外表面焊接固定，三角形冷却水隔板将冷却水进管、冷却水排管隔开。

本实用新型的有益效果是：本实验装置具有结构简单、组成部分布置灵活、整体安全性高、实验操作简便、重复利用性好、对实验试件适用性强、获得实验数据丰富等特点。

通过提升装置中高度足够的立柱及缆索、滑轮和移动车设计，可提供实验试件与火源的空间不同位置关系，包括位于火源正上方、位于火源的斜上方、试件自身倾斜放置。通过火源装置中漏斗形燃烧器较小的锥形母线与水平线夹角及较大的锥形开口设计及锥形内表面液位刻度线设置，可提供不同大小的火源规模，且散热片的设置延长了火源装置的使用寿命，安全水补充管的设置使火焰熄灭过程平稳过渡，避免了装置内回火及人为灭火可能引发的危险。通过吊索可以吊起建筑结构中各类楼板和梁构件开展考虑实际建筑结构、火灾规模特点的实验研究。通过测点的灵活布置，可获得构件表面及内部关注位置的实验数据，进而用于定量判断单个构件的危险性或直接输入有限元软件用于火灾下结构整体安全性分析，指导消防设施优化布置。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型火源装置的结构示意图；

图3为本实用新型火源装置的分解示意图；

图4为图1的剖视图；

图5为本实用新型水平测试楼板试件的示意图；

图6为本实用新型倾斜测试楼板试件的示意图；

图7为本实用新型水平测试梁试件的示意图；

图8为本实用新型测试获得的测点时间-温度曲线示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种结构构件温升实验装置，包括立柱1、缆索2、滑轮3、横梁4、盖板5、火源装置6、移动车7、轨道8。

数根立柱1的底部固定于地面，每根立柱1的顶部固接一个滑轮3，在对称设置的两排数根立柱1内侧，分别设有一根横梁4，两根横梁4的上端与数根缆索2的一端连接，数根缆索2的另一端分别穿过滑轮3系在每根立柱1外侧上设有的索把1-1上，调整数根缆索2的长度，两根横梁4可上下移动。

在每根横梁4下端，间隔的设有数根挂索Ⅰ4-1、数根挂索Ⅱ4-2，对称设置的两根横梁4两侧的数根挂索Ⅱ4-2的下端，分别与两块所述盖板5上的吊耳Ⅰ5-1连接，两块盖板5间隔设置在两排数根立柱1之间的两根横梁4的下方，轨道8安装在两排数根立柱1间中心线处的地面上，移动车7设置在轨道8上，火源装置6设置在移动车7上，火源装置6可随移动车7沿轨道8前后移动。

火源装置6包括漏斗形燃烧器6-1、冷却箱6-2、水油转输箱6-3、液位指示器6-4、冷却水进管6-5、冷却水排管6-6、安全水补充管6-7、补油管6-8、三角形冷却水隔板6-9、散热片6-10。

漏斗形燃烧器6-1锥形内表面根据模拟的火灾规模设置相应的液位刻度线6-1-1。

在水油转输箱6-3一侧焊接有安全水补充管6-7、补油管6-8，水油转输箱6-3另一侧焊接有液位指示器6-4，安全水补充管6-7、补油管6-8液位指示器6-4分别与水油转输箱6-3相通。

在冷却箱6-2箱体外的一侧，分别焊接冷却水进管6-5、冷却水排管6-6，冷却水进管6-5、冷却水排管6-6分别与冷却箱6-2相通，将冷却箱6-2焊接在水油转输箱6-3上。

沿漏斗形燃烧器6-1锥形外表面焊接数圈散热片6-10，漏斗形燃烧器6-1置于冷却箱6-2中，漏斗形燃烧器6-1的颈部圆管6-1-2穿过冷却箱6-2的底面板孔伸入水油转输箱6-3内与液位指示器6-4的一端焊接在一起，漏斗形燃烧器6-1分别与水油转输箱6-3及液位指示器6-4相通，将漏斗形燃烧器6-1上端与冷却箱6-2侧壁上端焊接在一起，颈部圆管6-1-2与冷却箱6-2的底面板孔焊接在一起。

将三角形冷却水隔板6-9设置在冷却箱6-2内，三角形冷却水隔板6-9相互垂直的两边分别与冷却箱6-2的内表面侧壁及底面板焊接在一起，三角形冷却水隔板6-9斜边穿过数圈散热片6-10与漏斗形燃烧器6-1锥形外表面焊接在一起，三角形冷却水隔板6-9将冷却水进管6-5和冷却水排管6-6隔开。

还可根据需要，两块盖板5间相对的边缘除外，在两块盖板5余下的三个边缘上分别设有下垂一定高度的挡烟垂幔，垂幔可采用防火纤维布。

如图5至图7所示，一种结构构件温升实验装置的使用方法，步骤如下：

第一步，按照实验方案确定的测点布置位置，在楼板试件9或梁试件11周围及内部布置热电偶10若干。

第二步，将缆索2从立柱1的索把1-1上解开，同步缓慢放松两侧数根缆索2，将两根横梁4高度降至临近地面的适当高度；将楼板试件9设置在两块盖板5之间，两块盖板5相对应的边缘贴紧楼板试件9两侧面，且使盖板5上表面和楼板试件9上表面平齐，数根挂索Ⅰ4-1的下端系于楼板试件9的吊耳Ⅱ9-1上，或将梁试件11设置在两块盖板5之间，两块盖板5相对应的边缘贴紧梁试件11两侧面，且使盖板5上表面和梁试件11上表面平齐，数根挂索Ⅰ4-1的下端系于梁试件11的吊耳Ⅲ11-1上。

第三步，同步缓慢提升两侧数根缆索2，直至楼板试件9或梁试件11达到实验方案指定的水平高度，将数根缆索2自由端分别系在立柱1的索把1-1上，或先缓慢同步提升一侧数根缆索2，使楼板试件9或梁试件11两端形成实验方案指定的高度差，再同步缓慢提升两侧数根缆索2，直至楼板试件9或梁试件11较低的一端达到实验方案指定的高度，将数根缆索2自由端系在立柱1的索把1-1上。

第四步，沿着轨道8拖动移动车7，使火源装置6位于楼板试件9或梁试件11几何中心铅直线的正下方，或沿着轨道8拖动移动车7，使火源装置6与楼板试件9或梁试件11几何中心铅直线保持实验方案指定的水平距离。

第五步，通过管路将冷却水进管6-5与置于冷却水箱中的循环泵连接，通过管路将冷却水排管6-6与冷却水箱连接，将安全水补充管6-7通过阀Ⅰ与置于水箱中的水泵连接，将补油管6-8通过阀Ⅱ与置于油类燃料箱中的油泵连接，将温度数据采集装置与数个热电偶10的引线端连接。

第六步，启动温度数据采集装置，观察测点温度实时变化情况，启动循环泵，以一定流量通过冷却水进管6-5向冷却箱6-2内注入冷却水，冷却水通过冷却水排管6-6排入冷却水箱中，使冷却水处于循环状态，将阀Ⅰ和水泵关闭，同时阀Ⅱ和油泵打开，以一定流量通过补油管6-8向水油转输箱6-3和漏斗形燃烧器6-1内注入油类燃料，当油类燃料液面升至漏斗形燃烧器6-1锥形内表面的液位刻度线6-1-1时，关闭阀Ⅱ和油泵。

第七步，点燃漏斗形燃烧器6-1锥形内表面油类燃料，同时启动阀Ⅱ和油泵，按照实验方案确定的供油流量，通过补油管6-8向水油转输箱6-3内持续稳定注入油类燃料，通过液位指示器6-4监视油类燃料的液位情况，维持漏斗形燃烧器6-1锥形内表面油类燃料的液位基本恒定。

第八步，按照实验方案确定实验时长，在实验即将结束时，关闭阀Ⅱ和油泵，同时打开阀Ⅰ和水泵，按照实验方案确定的供油流量，通过安全水补充管6-7向水油转输箱6-3内持续稳定注入水，直至油类燃料完全燃尽，实验结束，关闭阀Ⅰ和水泵，按照实验方案，待楼板试件9或梁试件11测点温度下降到指定数值后，温度数据采集装置存储每个测点的时间-温度数据，关闭温度数据采集装置，实验结束。

本实用新型所提供的立柱1可为钢柱、钢筋混凝土柱或钢混组合柱。当立柱表面为混凝土时，应加厚朝向火源装置侧的混凝土保护层厚度。当立柱表面为钢时，应在朝向火源装置侧喷涂一定厚度的防火涂料或采用防火板、防火棉毡进行包覆。当立柱为空心钢柱时，可考虑在内腔采用循环冷却水降温。

横梁4应具有一定抗弯能力，可为工字型截面钢梁、空心矩形型截面钢梁，横梁4距地面的升降高度为2m~30m。

盖板5应具有一定抗弯能力，可为具有一定厚度的防火板或为防火板夹防火棉毡的组合。

液位指示器6-4的竖直端应使用一定长度的透明材料。

火源装置6为优选的火源实例，亦可按照实验方案通过计算设计木垛作为火源，亦可以采用能够提供不同火灾规模的气体火源，火源装置6提供的火灾规模为0.2MW~15MW。

油类燃料的种类可为汽油、煤油、柴油、正庚烷。

热电偶10可为镍硅-镍铬铠装热电偶。

温度数据采集装置可使用Agilent（安捷伦）34970A型温度数据采集装置。

楼板试件9为建筑结构中的各类楼板，如：钢筋混凝土楼板、压型钢板混凝土楼板、桁架式压型钢板混凝土组合楼板、轻钢组合楼板等。

梁试件10为建筑结构中的各类梁，如：钢筋混凝土梁、钢梁（工字型、箱型、槽型截面）、桁架梁、铝合金梁以及空间结构中的杆件等。

实施例1，

第一步，按照实验方案在楼板试件9或梁试件11下表面周围布置热电偶10两根，即、测点A的热电偶10位于火源装置6中心线的正上方，测点B的热电偶10与火源装置6中心线的正上方有一定水平距离，且测点B和测点A等高。在楼板试件9或梁试件11内部布置热电偶10两根，即、测点a位于测点A的正上方，测点b位于测点B的正上方，且测点a和测点b等高。

第一步完成后，进入方法的第二步~第八步骤。

按照实验方案，点火后第38min停止实验。当测点A、B的温度下降到低于测点a、b的温度时，停止温度数据采集，并关闭采集装置。存储的4个测点测试获得的测点时间-温度曲线示意图如图8。

可以看出：点火后2min内，燃烧过程处于快速增长阶段，楼板试件9或梁试件11下表面周围的空气温度急剧上升；2min至38min，忽略气流扰动因素，燃烧过程处于充分发展阶段，楼板试件9或梁试件11下表面周围的空气温度在小范围内波动；第38min停火后，楼板试件9或梁试件11下表面周围的空气温度逐步下降；在第45min楼板试件9或梁试件11下表面周围的空气温度低于楼板试件9或梁试件11内部温度，停止温度数据采集。

整个实验过程中，楼板试件9或梁试件11内部温度呈缓慢上升趋势，特别是第38min停火后，受热量继续向内部传递影响，楼板试件9或梁试件11内部温度仍逐渐上升，表现出一定的滞后性。

整个实验过程中，测点A的温度一直高于测点B的温度是由于测点A、测点B的热电偶10布置位置不同，测点A位于火源装置6中心线的正上方，空气温度相对较高。相应的，自楼板试件9或梁试件11下表面传入内部的能量较多，导致测点a的温度一直高于测点b的温度。

Claims (2)

1.一种结构构件温升实验装置，其特征在于：包括立柱（1）、缆索（2）、滑轮（3）、横梁（4）、盖板（5）、火源装置（6）、移动车（7）、轨道（8），数根立柱（1）的底部固定于地面，每根立柱（1）的顶部固接一个滑轮（3），在对称设置的两排数根立柱（1）内侧，分别设有一根横梁（4），两根横梁（4）的上端与数根缆索（2）的一端连接，数根缆索（2）的另一端分别穿过滑轮（3）系在每根立柱（1）外侧上设有的索把（1-1）上，调整数根缆索（2）的长度，两根横梁（4）可上下移动；

在每根横梁（4）下端，间隔的设有数根挂索Ⅰ（4-1）、数根挂索Ⅱ（4-2），对称设置的两根横梁（4）两侧的数根挂索Ⅱ（4-2）的下端，分别与两块所述盖板（5）上的吊耳Ⅰ（5-1）连接，两块盖板（5）间隔设置在两排数根立柱（1）之间的两根横梁（4）的下方，所述轨道（8）设置在两排数根立柱（1）间中心线处的地面上，所述移动车（7）设置在轨道（8）上，所述火源装置（6）设置在移动车（7）上，火源装置（6）可随移动车（7）沿轨道（8）前后移动；

所述火源装置（6）包括漏斗形燃烧器（6-1）、冷却箱（6-2）、水油转输箱（6-3）、液位指示器（6-4）、冷却水进管（6-5）、冷却水排管（6-6）、安全水补充管（6-7）、补油管（6-8）、三角形冷却水隔板（6-9）、散热片（6-10）；所述漏斗形燃烧器（6-1）锥形内表面设有液位刻度线（6-1-1）；

所述水油转输箱（6-3）一侧焊接有安全水补充管（6-7）、补油管（6-8），水油转输箱（6-3）另一侧焊接有液位指示器（6-4）；

所述冷却箱（6-2）箱体外的一侧，分别焊接冷却水进管（6-5）、冷却水排管（6-6），冷却箱（6-2）焊接固定在水油转输箱（6-3）上；

沿所述漏斗形燃烧器（6-1）锥形外表面焊接数圈散热片（6-10），漏斗形燃烧器（6-1）置于冷却箱（6-2）中，漏斗形燃烧器（6-1）的颈部圆管（6-1-2）穿过冷却箱（6-2）的底面板伸入水油转输箱（6-3）内与液位指示器（6-4）的一端焊接在一起，漏斗形燃烧器（6-1）上端与冷却箱（6-2）侧壁焊接固定，颈部圆管（6-1-2）与冷却箱（6-2）的底面板焊接固定，

所述三角形冷却水隔板（6-9）设置在冷却箱（6-2）内，三角形冷却水隔板（6-9）相互垂直的两边分别与冷却箱（6-2）的内表面侧壁及底面板焊接在一起，三角形冷却水隔板（6-9）斜边穿过数圈散热片（6-10）与漏斗形燃烧器（6-1）锥形外表面焊接固定，三角形冷却水隔板（6-9）将冷却水进管（6-5）、冷却水排管（6-6）隔开。

2.根据权利要求1所述的一种结构构件温升实验装置，其特征在于：两块所述的盖板（5）间相对的边缘除外，在每块盖板（5）余下的三个边缘上分别设有挡烟垂幔，垂幔采用防火纤维布。