弹簧、阻尼器边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统

摘要

一种弹簧、阻尼器边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统，包括边界约束装置、反力架、加载物、控制及数据采集装置和试验炉装置，钢筋混凝土试验板放置在试验炉装置上，加载物放置在钢筋混凝土试验楼板上，反力架布置在试验炉装置四周，边界约束装置设在反力架与钢筋混凝土试验楼板之间，控制及数据采集装置分别对边界约束装置和试验炉装置进行控制和数据采集，所述边界约束装置有两种方案分别为弹簧边界约束装置和阻尼器边界约束装置；本发明可深入研究钢筋混凝土板的火灾行为以及不同的边界约束作用对钢筋混凝土板抗火性能的影响规律，并且试验技术与实际建筑结构构件约束更相符合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土楼板抗火试验系统，具体是一种利用弹簧、阻尼器进行边界约束的钢筋混凝土楼板抗火试验系统，从而获得不同边界约束作用对钢筋混凝土楼板抗火性能的影响规律，属于建筑结构防灾减灾技术领域。

背景技术

近年来，我国正处于经济快速发展时期，每年数十亿平方米的建筑不断建成，其中钢筋混凝土板是最重要的水平承重构件，在多层建筑、高层建筑以及新型装配式建筑中被普遍应用。

火灾中，钢筋混凝土楼板直接承受火荷载，由于板厚较小，钢筋保护层较薄，致使火灾时钢筋混凝土楼板是受火面积最大、损伤最严重的构件之一，是整个结构抗火中较为薄弱的环节。

为了评估混凝土板的抗火性能，要求在规范规定的条件下(包括升温、压力、加载以及受火等条件)，采用标准耐火试验进行检测。

当前，大多数钢筋混凝土板的抗火试验仅考虑单一的边界约束，混凝土板只可以发生一定程度的自由变形。而在实际情况中，高温下混凝土楼板由于其变形受到相邻楼板的约束会表现出与单独楼板构件明显不同的特性。

然而，现有混凝土板试验系统施加边界约束时，需要对一个板单独设计边界约束试验方案，当边界条件复杂或者需要对多个板进行边界约束时，进行连续试验时往往需要拆解试验炉，重新改造试验炉结构，这样不仅会造成时间和资源的浪费，对一些复杂的边界条件也难以模拟。因此，研究一种适应多种边界条件的火灾试验系统具有重要的现实意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种弹簧、阻尼器边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统，可深入研究钢筋混凝土板的火灾行为以及不同的边界约束作用对钢筋混凝土板抗火性能的影响规律，并且试验技术与实际建筑结构构件约束更相符合。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括边界约束装置、反力架、加载物、控制及数据采集装置和试验炉装置，钢筋混凝土试验板放置在试验炉装置上，加载物放置在钢筋混凝土试验楼板上，反力架布置在试验炉装置四周，边界约束装置设在反力架与钢筋混凝土试验楼板之间，控制及数据采集装置分别对边界约束装置和试验炉装置进行控制和数据采集，所述边界约束装置有两种方案分别为弹簧边界约束装置和阻尼器边界约束装置；所述弹簧边界约束装置包括作动器装置、铰支座、弹簧和激光测距传感器；作动器装置包括作动器、电液伺服阀Ⅰ和多顶分流阀，作动器一端固定在反力架的反力梁上，另一端与弹簧端板连接，弹簧的另一个端板固定在铰支座上，激光测距传感器固定在弹簧中心远离钢筋混凝土试验板一侧的弹簧端板上，铰支座对称布置在钢筋混凝土试验板约束梁上下两边，上下的铰支座间间距与钢筋混凝土试验板及约束梁的尺寸相配合；单个弹簧边界约束装置具有两个弹簧、两个作动器装置和两个铰支座，作动器装置的作用使弹簧产生一定的位移；多个弹簧边界约束装置按适当间距均布在板边四周，多个弹簧边界约束装置的作动器装置之间并联，并联的作动器装置中的电液伺服阀Ⅰ与多顶分流阀相连接，两个弹簧边界约束装置之间的距离与钢筋混凝土试验板的尺寸相配合；所述阻尼器边界约束装置包括液压阻尼器和测速传感器，液压阻尼器的一端通过关节轴承连接在铰支座上，其另一端通过螺栓固定在反力梁上，测速传感器固定在液压阻尼器的关节轴承一端。

相比现有技术，本发明的弹簧、阻尼器边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统，设置弹簧边界约束装置或者阻尼器边界约束装置作为边界约束装置，通过弹簧或液压阻尼器提供边界约束力，改进了现有钢筋混凝土楼板火灾试验技术与实际建筑结构构件约束不相符合的缺点，进而可深入研究钢筋混凝土板的火灾行为以及不同的边界约束作用对钢筋混凝土板抗火性能的影响规律；具体地，具有弹簧边界约束装置的多约束钢筋混凝土板抗火试验系统，可以通过测量弹簧形变量计算面内约束力及转动约束力，而具有阻尼器边界约束装置的多约束钢筋混凝土板抗火试验系统，可以通过测量阻尼器端头移动速度计算面内约束力及转动约束力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明俯视剖视图；

图2是图1在采用弹簧边界约束装置时的A-A向剖视图；

图3是本发明的弹簧边界约束装置的截面视图；

图4是本发明的弹簧边界约束装置的俯视图；

图5是本发明的钢球和刚滚轴的布置图；

图6是钢筋混凝土试验板的短边有弹簧边界约束时的边界约束装置布置示意图；

图7是钢筋混凝土试验板的长边有弹簧边界约束时的边界约束装置布置示意图；

图8是钢筋混凝土试验板的四边有弹簧边界约束时的边界约束装置布置示意图；

图9是弹簧边界约束弹簧变形图；

图10是弹簧边界约束受力分析图；

图11是图1在采用阻尼器边界约束时的A-A向剖视图；

图12是阻尼器边界约束装置的截面视图；

图13是钢筋混凝土试验板的四边有阻尼边界约束装置时的边界约束装置布置示意图；

图14是阻尼器边界约束阻尼器变形图；

图中：1、边界约束装置，1.1、作动器，1.2、多顶分流阀，1.3、铰支座，1.4、弹簧，1.5、激光测距传感器，1.6、液压阻尼器，1.7、测速传感器，2、反力架，2.1、反力梁，2.2、反力柱，3、加载物，4、控制及数据采集装置，5、试验炉装置，5.1、炉体，5.2、炉底板，5.3、钢球，5.4、钢滚轴，5.5、一体式燃烧器，5.6、炉温热电偶，5.7、支撑梁，5.8、支撑柱，5.9、排烟通道，5.10、水循环管道，6、钢筋混凝土试验板，7、柔性耐火材料，8、燃油箱及燃油供给机构，9、水泵，d₁、d₂分别为两个弹簧的变形量，c是铰支座与约束梁对称轴间距。

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中的附图，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的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在图1中，一种弹簧、阻尼器边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统，包括边界约束装置1、反力架2、加载物3、控制及数据采集装置4和试验炉装置5，反力架2是由竖向立在地面的反力柱2.2和横向连接在反力柱2.2之间的反力梁2.1连接构成框架，钢筋混凝土试验板6放置在试验炉装置5上，加载物3放置在钢筋混凝土试验楼板上，反力架2布置在试验炉装置5四周，边界约束装置1设在反力架2与钢筋混凝土试验楼板之间，控制及数据采集装置4分别对边界约束装置1和试验炉装置5进行控制和数据采集，其中所述边界约束装置1为弹簧边界约束装置或者阻尼器边界约束装置。边界约束装置中设置有两级作动装置(即形成面内约束的结构和构成转动约束的结构)，可以实现面内约束和转动约束的分别、同步调节。

图2至图10示出了当本发明的边界约束装置1为弹簧边界约束装置时的实施例，所述弹簧边界约束装置包括作动器装置、铰支座1.3、弹簧1.4和激光测距传感器1.5；作动器装置包括作动器1.1、电液伺服阀Ⅰ和多顶分流阀1.2，作动器1.1一端固定在反力架2的反力梁2.1上，另一端与弹簧端板连接，弹簧1.4的另一个弹簧端板固定在铰支座1.3上，激光测距传感器1.5固定在弹簧1.4中心远离钢筋混凝土试验板6一侧的弹簧端板上，铰支座1.3对称布置在钢筋混凝土试验板6约束梁上下两边，上下的铰支座1.3间间距与钢筋混凝土试验板6及约束梁的尺寸相配合；单个弹簧边界约束装置具有两个弹簧1.4、两个作动器装置和两个铰支座1.3，作动器装置的作用使弹簧1.4产生一定的位移；多个弹簧边界约束装置按适当间距均布在板边四周，多个弹簧边界约束装置的作动器装置之间并联，并联的作动器装置中的电液伺服阀Ⅰ与多顶分流阀1.2相连接，多顶分流阀1.2控制几个作动器装置中的电液伺服阀Ⅰ同时同量工作，两个弹簧边界约束装置之间的距离与钢筋混凝土试验板6的尺寸相配合。

参见图9和图10，本弹簧边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统可以通过测量弹簧形变量计算面内约束力及转动约束力：两个弹簧1.4的刚度分别为k₁和k₂，弹簧1.4的原长为d₀，则面内约束为N＝k₁×(d₁-d₀)+k₂×(d₂-d₀)；转动约束为M＝N₂×a-N₁×a,其中N₁＝k₁×(d₁-d₀),N₂＝k₂×(d₂-d₀)。

图11至图14给出了当本发明的边界约束装置1为阻尼器边界约束装置时的实施例，所述阻尼器边界约束装置包括液压阻尼器1.6和测速传感器1.7，液压阻尼器1.6的一端通过关节轴承连接在铰支座1.3上，其另一端通过螺栓固定在反力梁2.1上，测速传感器1.7固定在液压阻尼器1.6的关节轴承一端。具体地，所述钢筋混凝土试验板6的约束梁上预埋连接件，铰支座1.3通过螺栓与预埋件连接；反力梁2.1上预留螺栓孔，作动器1.1一端通过螺栓固定在反力架2的反力梁2.1上；作动器1.1另一端通过螺栓与弹簧端板连接。

参见图12和图14，本阻尼器边界约束多约束钢筋混凝土板抗火试验系统可以通过测量阻尼器端头移动速度计算面内约束力及转动约束力：两个阻尼器阻尼分别为c₁、c₂,某时刻速度分别为v₁、v₂,则面内约束为N＝c₁v₁+c₂v₂；转动约束为M＝c₁v₁a-c₂v₂a。

参见图2和图11，在上述实施例中，所述试验炉装置5包括炉体5.1、炉底板5.2、一体式燃烧器5.5、炉温热电偶5.6、支撑梁5.7、支撑柱5.8、排烟通道5.9和水循环管道5.10；炉体5.1包括拼装炉墙和连接件，拼装炉墙之间通过连接件连接；炉体5.1上设置观火孔；炉体5.1上设置有燃烧器安装孔；炉底板5.2固定连接在炉体底部，上面设有排烟口；一体式燃烧器5.5的喷口面向炉体5.1内部设置，并穿过炉体5.1上的燃烧器安装孔安装在供油管道上且与供油管道连通；供油管道环绕地设置在炉体5.1外部，供油管道与燃油箱及燃油供给机构8连通；一体式燃烧器5.5与供油管道的连接处安装连接有电液伺服阀Ⅱ及点火器，电液伺服阀Ⅱ接收由中央处理器发出的电信号后输出相应的燃油；炉温热电偶5.6设置在炉体5.1内壁上部；排烟通道5.9与炉底板5.2的排烟口连通；水循环管道5.10包裹于排烟通道5.9外部，并通过电液伺服阀Ⅲ与水泵9连接；支撑柱5.8分布在炉体5.1外部四个角部，支撑梁5.7沿炉体5.1上边缘搁置在支撑柱5.8上，支撑梁5.7与支撑柱5.8通过螺栓连接，钢筋混凝土试验板6放置在支撑梁5.7上。

进一步地改进是，在所述炉体5.1的顶面和钢筋混凝土试验楼板之间设置钢球5.3和钢滚轴5.4，钢球5.3和钢滚轴5.4之间的空隙用柔性耐火材料7填充；支撑梁5.7和支撑柱5.8通过耐火材料保护。

优选地，所述的柔性耐火材料7选用耐火纤维棉；所述的钢球5.3和钢滚轴5.4直径尺寸设置为80-100mm；所述的钢球5.3之间的间距取钢筋混凝土试验楼板板厚的3-5倍。

所述的控制及数据采集装置4包括中央处理器、火焰控制回路、温度采集回路、位移采集回路、应变采集回路、弹簧长度采集回路、作动器控制回路和炉温控制回路；中央处理器与一体式燃烧器5.5上的电液伺服阀Ⅱ及点火器电连接；中央处理器与数据采集仪电连接，数据采集仪与炉温热电偶5.6电连接，数据采集仪与设置在钢筋混凝土试验楼板内部的测量混凝土和钢筋温度的热电偶电连接；数据采集仪与设置在钢筋混凝土试验楼板平面上的测量楼板平面内、外位移的位移传感器电连接；数据采集仪与设置在钢筋混凝土试验楼板内部的测量钢筋应变的应变片电连接；数据采集仪与设置弹簧1.4上的激光测距传感器1.5电连接；数据采集仪与测速传感器1.7电连接；中央处理器与作动器装置中的多顶分流阀1.2电连接，电液伺服阀Ⅰ接收由多顶分流阀1.2发出的电信号后输出相应的流量和压力控制作动器1.1；中央处理器与液压阻尼器1.6中的阻尼控制阀电连接；中央处理器与形成炉温控制回路的水循环管道5.10上的电液伺服阀Ⅲ电连接，电液伺服阀Ⅲ接收由中央处理器发出的电信号后输出相应的水。炉内温度采用热电偶测量，通过炉温控制回路可对炉内温度进行实时监控，并能随时进行调节，使得炉内温度能很好的符合ISO834国际标准升温曲线或其他设定的升温曲线；由于设有温度采集回路、位移采集回路和应变采集回路，因此可以同时测量试验板内混凝土和钢筋的温度、板平面内、外位移和钢筋应变等参数；作动器1.1通过电液伺服阀Ⅰ控制，可调节加载速度，实现边界约束随时间的可变性，进而可以更好的模拟实际钢筋混凝土板受火情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。