柱支承足尺钢筋混凝土双向板抗火试验装置及其实现方法

摘要

本发明提供了一种柱支承足尺钢筋混凝土双向板抗火试验装置及其实现方法。柱支承足尺钢筋混凝土双向板抗火试验装置主要包括炉体、支承柱、反力加载装置、数据采集系统四个部分，炉体设置在钢筋混凝土双向板下方，反力加载装置设置在钢筋混凝土双向板上方，钢筋混凝土双向板设置在支承柱上，数据采集系统设置在钢筋混凝土双向板和炉体上。本发明能够较好的进行柱支承足尺钢筋混凝土双向板火灾试验，以模拟真实火灾来进行受火试验，测试柱支承足尺钢筋混凝土双向板的耐火极限和研究其在火灾作用下的工作机理，为基于火安全的结构设计提供依据。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及建筑结构防灾减灾技术领域，具体涉及一种可进行多种工程情况的柱支承足 尺钢筋混凝土双向板的抗火试验装置。

(二)背景技术

近年来，我国建筑火灾的次数和损失一直居高不下，发生了多起特大和重大火灾，起火 的原因、情况比较复杂且救火难度大。在现有条件下，研究现有结构的抗火性能以及如何通 过合理设计来提高建筑结构、构件的抗火能力是当前建筑火灾领域研究的重要课题。

近年来无梁楼板结构以其经济效益好、使用空间大、实现了建筑空间的灵活间隔等优点， 被广泛的应用于大跨度和大荷载、大空间的多层和高层建筑，如商业楼、办公楼、图书馆、 展览馆、教学楼、车站、多层停车场等大中型分共建筑，以及应用于宾馆、娱乐设施、大开 间住宅等民用建筑和多层或单层工业厂房、仓库、车库。因此研究柱支承钢筋混凝土双向板 的火灾行为就显得非常重要，其研究成果必将对建筑结构抗火的性能化设计和指导消防救险 工作有重要意义。本发明提供了一种可以进行多种工程情况的柱支承足尺钢筋混凝土双向板 的抗火试验装置，可以用来测量柱支承的足尺钢筋混凝土双向板在火灾作用下的耐火极限、 温度场、结构反应(变形、侧移、支座反力等)等。

现有试验中，大多数火灾试验都是采用缩尺的建筑结构及构件进行的，由于尺寸效应、 及薄膜效应等的关系，所得建筑结构及构件在火灾下的性能指标与实际火灾下产生的性能指 标存在较大差别。要想获得建筑结构及构件在火灾作用下的耐火极限、温度场及结构反应等 的最佳、最后的评估，则必须进行足尺火灾试验。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够较好的进行柱支承足尺钢筋混凝土双向板火灾试验，以 模拟真实火灾来进行受火试验，测试柱支承足尺钢筋混凝土双向板的耐火极限和研究其在火 灾作用下的工作机理，为基于火安全的结构设计提供依据的柱支承足尺钢筋混凝土双向板抗 火试验装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括炉体、支承柱、反力加载装置、数据采集系统四个 部分，炉体设置在钢筋混凝土双向板下方，反力加载装置设置在钢筋混凝土双向板上方，钢 筋混凝土双向板设置在支承柱上，数据采集系统设置在钢筋混凝土双向板和炉体上。

本发明柱支承足尺钢筋混凝土双向板抗火试验装置还有这样一些技术特征：

1、所述的炉体包括炉外壁、炉内壁、供油管路、水循环管路、排烟道、热电偶、点火 喷嘴、自动点火计算机控制系统和线路管道，炉体内设有9个喷火嘴，热电偶设置在炉内壁 靠近点火喷嘴侧，供油管路环绕炉体并与外置的油箱形成回路，每个点火喷嘴处都设有风机， 每个风机处都设有连接供油管路的抽油泵；

2、所述的炉外壁、炉内壁上设置有观火孔，炉体中间设有两个排烟道，排烟道设于地 下，两个排烟道最后于地下合于一处，经由外置的烟筒将烟气向外排出，每个排烟道都对应 一根水循环管路的水管；

3、所述的自动点火计算机控制系统置于炉体旁边的控制室之内，所有设置在炉体内的 导线通过线路管道连接到控制室的总控制箱中，最后连接到计算机进行数据交换；

4、所述的数据采集系统包括连接钢筋混凝土双向板的混凝土温度及钢筋温度采集系 统、位移采集系统、边界约束数据采集系统、声发射采集系统及振动采集系统，混凝土温度 及钢筋温度采集系统包括设置在钢筋混凝土双向板里的热电偶，热电偶通过导线与数据采集 仪器连接，数据采集仪器与计算机连接，位移采集系统包括位移传感器，位移传感器连接数 据采集仪器，边界约束采集系统包括荷重传感器、钢板、钢梁和千斤顶，荷重传感器固定在 千斤顶与反力架之间，并与数据采集仪器相连，声发射采集系统及振动采集系统包括设置在 钢筋混凝土双向板上的传感器，传感器与数据采集仪器相连；

5、所述的支承柱包括井字形结构的支承柱和预埋的螺栓；

6、所述的反力加载装置包括反力架和加载块，反力架通过钢柱和千斤顶设置在钢筋混 凝土双向板上方，钢筋混凝土双向板通过支座装置设置在炉体上方，反力架和千斤顶之间设 置有荷重传感器，千斤顶与钢筋混凝土双向板之间设置有工字钢梁及两根钢滚轴，支座装置 由上下两块钢板中间焊接钢滚轴组成。

本发明的另一目的在于提供柱支承足尺钢筋混凝土双向板抗火试验装置的实现方法，首 先建造适合柱支承足尺钢筋混凝土双向板的炉体系统，建造带有预埋螺栓的井字形基础，以 便浇注柱支撑钢筋混凝土双向板，螺栓预埋位置均是按符合模数的楼板尺寸确定的，利用反 力加载装置对钢筋混凝土楼板加载并进行边界约束，最后布置数据采集系统，点火试验进行 数据采集。

本发明的具体实现方法为：首先，根据柱支承足尺钢筋混凝土双向板的特点设计建造合 适炉体，其中，炉内壁采用耐火材料保护，炉内壁、炉外壁上设有观火孔；然后，建造支承 柱的基础并在基础上预埋螺栓，根据板的尺寸合理选则预埋螺栓，支模板将板与支承柱一起 浇注，根据双向板的尺寸，设置反力架，利用反力架对板施加边界约束，利用加载块对板施 加试验荷载；最后，连接好测量系统，点火开始试验，试验炉的自动控制系统同时采集炉温 及炉压，控制实时温度使炉温按照标准升温曲线升温，温度、位移等的数据采集系统采集试 验过程中钢筋混凝土双向板的相应参数。

本发明包括这样一些技术特点：

1、试验炉体可以进行多种工程情况的柱支承足尺钢筋混凝土双向板的火灾试验，具有 通用性。

2、预埋螺栓尺寸按板的模数布置，柱距可灵活选用。

3、对于相同柱距的柱支承钢筋混凝土双向板的对比性试验等，支承柱可以重复利用。

4、炉内温度采用铠装K型热电偶测量，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国际ISO384标准升温曲线或其它相关升温曲线。

5、反力架的位置可根据钢筋混凝土双向板的尺寸进行灵活调整。

本发明的技术方案是：

(1)试验炉体的构成及建造方法。火灾试验炉体的示意图见图1-图4。试验炉共设有9 个喷火嘴，环绕试验炉的油管与置于实验室之外的油箱形成回路，每个风机处都设有抽油泵， 工作时从油管当中抽取油进行雾化点火，多余的油又重新流回油管。

(2)在试验炉的中间设有两个烟道，以便于试验过程中烟气顺利排出。烟道设于地下， 两个烟道最后于地下合于一处，经由室外的烟筒将试验过程中产生的烟气向外排出。由图2- 图4的炉体立面图可以看到，每个烟道都对应一根水管，目的是在试验过程中通过向烟道中 加水以降低烟气的温度。

(3)整个试验炉的控制系统置于试验炉旁边的控制室之内，所有试验炉仪器的导线通过 线路管道连接到控制室的总控制箱中，最后连接到计算机进行数据交换，实现点火的自动控 制。点火试验后，可通过计算机监测炉内温度及压力。

(4)反力架的布置及设计。反力架的布置及设计如图5～图9所示，反力架可以根据柱 支承足尺钢筋混凝土双向板的尺寸进行调整，具有较大的灵活性，试验过程中通过置于反力 架与千斤顶之间的荷重传感器监测钢筋混凝土双向板柱轴线处的弯矩变化。

(5)如图6、图7所示，由千斤顶施加力，通过小钢梁及两根钢滚轴传到与钢筋混凝土 双向板接触的钢板上，模拟线荷载对钢筋混凝土双向板进行边界约束。

(6)柱支承足尺钢筋混凝土双向板的基础设计如图8所示。根据板的模数在井字形基础 上布置相应的预埋螺栓，在制作板时选择合适的螺栓，将支承柱和钢筋混凝土板浇注在一起。 如果相同柱距的柱支承板要做对比试验等，则可以重复利用支承柱。

(7)在筋混凝土板养护结束，进行试验之前，要用纤维防火砧板将板与炉壁之间的空隙 堵密实，防止试验时火外泄，导致热能丢失，升温缓慢，造成能源浪费，同时防止造成试验 设备损坏。

本发明提供了一套能够较好的进行柱支承足尺钢筋混凝土双向板火灾试验的试验装置， 以模拟真实火灾来进行受火试验，测试柱支承足尺钢筋混凝土双向板的耐火极限和研究其在 火灾作用下的工作机理，为基于火安全的结构设计提供依据。本发明的有益效果有：本发明 能较好的适用于柱支承足尺钢筋混凝土双向板的火灾试验，能够较好的模拟真实的火灾环境， 从而可以更加科学的进行柱支承钢筋混凝土双向板抗火性能的研究，为柱支承钢筋混凝土双 向板的抗火设计方法的提出提供可靠的试验数据。

(四)附图说明

图1为炉体结构平面示意图。

图2-图4为图1炉体结构立面、剖面示意图，其中图2为图1的A-A面示意图，图3为 图1的B-B剖面示意图，图4为图1的C-C剖面示意图。

图5为反力架结构平面示意图。

图6为图5的A-B面示意图。

图7为约束反力施加示意图。

图8为支撑柱基础平面图。

图9为支撑柱基础立面图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

结合图1-图9，本实施例包括炉体25、支承柱、反力加载装置、数据采集系统四个部分。 炉体包括外炉壁1、内炉壁2、供油管路3、水循环管路4、排烟道5、热电偶6、点火喷嘴7、 自动点火计算机控制系统、线路管道8等，其中热电偶6用来测试炉内温度。支承柱主要包 括井字形基础的支承柱9及在基础上预埋的螺栓10，支承柱一般与板一起现浇，同一尺寸的 板作对比试验的情况下可以重复利用支承柱。反力加载装置包括反力架11、加载块12等。 数据采集系统包括钢筋混凝土双向板的混凝土温度及钢筋温度采集系统、位移采集系统、边 界约束数据采集系统、声发射采集系统及振动采集系统。

其中混凝土与钢筋温度的测量首先是将热电偶预埋到钢筋混凝土双向板里边，用导线将 热电偶的线与数据采集仪器连接，最后将数据采集仪器与电脑连接，通过电脑控制对试验数 据进行采集。位移采集系统首先是将位移传感器布置在要测量的相应测点，将位移传感器的 线连接到数据采集仪器，最后将数据采集仪器与电脑连接，通过电脑控制对试验数据进行采 集。边界约束采集系统首先是在侧点位置布置好钢板、钢梁千斤顶等，将荷重传感器固定在 千斤顶与反力架之间，再将荷重传感器与数据采集仪器相连，最后连接数据采集仪器与电脑。 声发射与振动均是在相应测点布置传感器，连接传感器与相应数据采集仪器，最后连接数据 采集仪器与电脑。

工作过程为：在试验过程中产生的温度、位移等参数，数据采集仪通过相应传感器进行 数据采集，最后在电脑上显示并保存数据。

炉体25内设有9个点火喷嘴7，热电偶6设置在炉内壁靠近点火喷嘴7侧，供油管路3 环绕炉体并与外置的油箱13形成回路，每个点火喷嘴7处都设有风机14，每个风机14处都 设有连接供油管路3的抽油泵；炉体中间设有两个排烟道5，排烟道5设于地下，两个排烟 道5最后于地下合于一处，经由外置的烟筒15将烟气向外排出，每个排烟道5都对应一根水 循环管路4的水管；自动点火计算机控制系统置于炉体旁边的控制室16之内，所有设置在炉 体内的导线通过线路管道8连接到控制室16的总控制箱中，最后连接到计算机进行数据交换； 反力架11通过钢柱17和千斤顶18设置在钢筋混凝土双向板19上方，钢筋混凝土双向板19 通过支座装置设置在炉体上方，反力架11和千斤顶18之间设置有荷重传感器20，千斤顶18 与钢筋混凝土双向板19之间设置有工字钢梁21及两根钢滚轴22，支座装置由上下两块钢板 24中间焊接钢滚轴23组成，炉外壁、炉内壁上设置有观火孔26。

1、本实施例按以下步骤实施：

(1)根据柱支承足尺钢筋混凝土双向板的尺寸大小等因素，合理选择预埋螺栓，确定 板在炉体上的位置，使喷嘴在钢筋混凝土双向板的受火面积内均匀布置，使烟道、热电偶等 均能较好的工作。

(2)支模板、绑钢筋、浇注混凝土，对板进行养护。

(3)根据板的位置、尺寸调整反力架的位置，利用反力架对板进行边界约束，利用加 载块对板施加试验荷载。

(4)连接线路，调试好各种设备后，开始试验，采集数据。

2、具体操作如下：

(1)设计钢筋混凝土无梁楼盖板的尺寸为7200mm×7200mm，其中，柱距为4200mm ×4200mm。其在炉体上的位置如图5所示，在板的受火面积内炉体的每一侧均匀分布4个喷 火嘴，烟道、热电偶均处在有效的工作范围内，能很好的进行排烟、温度测量。

(2)对板进行养护，拆除模板后，用纤维防火砧板将板与炉壁之间的空隙填充密实， 并用纤维防火砧板将支承柱包住对其进行保护，以免试验过程中对支承柱造成损坏。

(3)利用加载块施加均布试验荷载，利用反力架对板的固支边进行边界约束，如图5～ 图9所示。

(4)连接温度线路、位移线路、声发射及振动线路等，调试设备，准备开始试验。

(5)点火开始试验，采集相关实验参数。