专利名称：双层双跨框架结构抗火试验装置及其实现方法
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'种可进行双层双跨框架结构抗火试验的装置。
(二)
背景技术：
近年来，我国的建筑火灾形势比较严峻，主要表现为建筑火灾的次数和损失均居高不下，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。本发明提供了一种可以进行双层双跨框架结构抗火的试验装置，可以用来测量建筑构件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)，从而为提出合理的抗火设计方法提供试验数据和科学依据。
建筑领域中，结构或构件耐火性能与抗火性能的区别。耐火是指建筑在某一区域发生火灾时能忍耐多长时间而不造成火灾蔓延，及结构在火灾中能耐多久而不破坏，主要强调的是耐火时间，即耐火极限。抗火土要用于结构，即结构抗火，强调的是结构抵御火灾影响(高温材料特性变化、结构反应等)，需要考虑荷载与约束条件。
目前，相关的研究主要集屮在研制建筑构件的耐火试验炉，主要包括水平炉、墙炉、柱炉和组合式炉等形式。通过耐火试验炉，研究人员可以测得建筑构件的耐火极限和温度场分布。但仅了解建筑构件的耐火极限和温度场分布，仍不能掌握建筑结构构件的力学性能和结构反应，不能充分的指导建筑结构的抗火设计。目前，建筑火灾试验主要是进行建筑构件的耐火试验，即主耍测试构件的耐火极限和温度场等，而无法进行真实加载情形下的建筑结构力学性能和结构反应试验。
中国发明专利公开号为CN1896714公开了一种"建筑构件组合式耐火试验炉"，主要包括活动炉体、固定炉体、燃烧管道、空气管道、排烟道、燃烧嘴，燃烧嘴设在两炉体侧壁，两炉体各自连接的燃料管道、空气管道通过软管对接，排烟道设在固定炉体内侧下部。此i式验炉的两炉体的对接能够同时满足墙、柱、门、窗等构件的耐火试验。但缺点和不足在于
(1) 仅能进行建筑构件的耐火试验，不能对建筑构件加载，进行抗火试验。
(2) 仅能针对建筑构件，如梁、板、墙、门等，不能对框架结构进行结构抗火试验。
(3) 当进行水平构件试验时，如梁、板等，未采取必要措施，造成能源浪费。
(4) 不能进行建筑构件的变形、侧移等结构反应指标的测量。双层双跨框架结构由十其自身的形式特点、受力性能与其他结构形式的差异，现有的实验装置和技术并不能实现其抗火试验的进行。双层双跨框架结构，可以组成多种工作状态的 火灾情形，例如，双层同跨受火、同层双跨受火、单室受火、各层各跨均受火等，不同的受 火状态，框架结构的结构反应是有很大差异的。
发明内容
本发明的目的在于提供'种能够较好的进行单层框架、剪力墙的抗火试验，能够较好的 模拟真实的火灾环境，且可以模拟多种燃烧的工作状况，如单层单室、单层两室、同跨双层 受火等，从而可以更加科学的进行建筑构件抗火性能研究的双层双跨框架结构抗火试验装置 及其实现方法。
本发明的目的是这样实现的它包括炉体、加载装置和测量装置，炉体包括炉体后壁、 外炉壁和内炉壁，内部设置有燃油管路、风化管路和测试线路，加载装置设黄在炉体外部， 测量装置包括设置在炉体上的耐高温瓷管、差动式位移计、热电偶和设置在外部的数据采集 仪、计算机。
本发明还有这样一些技术特征
1、 所述的外炉壁、内炉壁包围构成炉室，由试验框架的混凝土板和混凝土悬臂梁把炉室 分隔为四个不同的燃烧室；
2、 所述的外炉壁上设有观火孔、测量孔；
3、 所述的外炉壁内设置有框架梁和框架柱，框架梁和框架柱构成双层双跨框架结构；
4、 所述的框架梁上设置有荷载块，加载装置包括反力架，反力架和框架梁之间安装有千 斤顶；
5、 所述的燃烧室内的内炉壁外侧设置有燃烧喷嘴，热电偶设置在燃烧喷嘴附近；
6、 所述的混凝上板设置在内炉壁上方，内炉壁前方设置有可移动炉门；
7、 所述的耐高温瓷管、差动式位移计设置在测量孔内，耐高温瓷管、差动式位移计和热 电偶分别通过测试线路连接数据采集仪、计算机；
8、 所述的燃烧喷嘴分别连接燃油管路、风化管路，风化管路连接外部风机。 本发明首先砌筑适合于开展足尺双层双跨框架结构相应试验构件的炉体。然后，吊装试
验构件就位，将构件与地面可靠连接，并通过加载装置对构件相应位置施加试验荷载。最后， 连接相关测试元件的线路并进行调试，利用计算机控制，点火开始试验，测试并采集数据， 完成试验。
本发明的实现方法为首先，根据双层双跨框架结构的尺寸及构造等方面的特点，采用 特定的砌筑方案建造合适的炉体，其中，炉体一般均^用耐火砖等耐火材料砌筑。试验框架 结构中柱对应的炉体处，设置相应的预埋件，以利十采用耐火材料进行不同燃烧室之间的隔离。然后根据试验构件与地面固定的约束条件，采用相应可靠的连接方式，并利用加载装置 对试件加载。最后，点火开始试验，记录实时温度以控制炉温按照标准升温曲线升温，并利 用计算机采集相应的结构反应。
本发明包括这样一些技术特点
1 、试验炉体适用于进行双层双跨框架结构的抗火试验。
2、 试验过程中，能够使炉内温度较好的符合国际IS0834标准升温曲线或其它标准升温 曲线。
3、 本发明的装置，各燃烧室均设有内炉壁，节省燃油。
4、 利用加载装置，通过一定的技术措施能准确有效地施加试验荷载。
5、 通过各燃烧室的不冋组合，能模拟多种工作状况下的火灾燃烧试验，并测量其相应的 结构反应。
本发明的实现过程为
(1) 试验炉体的构成。根据试验构件的尺寸确定炉体各个部分的尺寸。火灾实验炉体 及装置的示意图见图1。炉室由外炉壁、内炉壁包围而成，再由试验框架的混凝土板和隔离 用的耐火材料(如耐火棉毡等，通过预埋件和试验框架的中柱进行固定)可以把炉室分隔为 四个不同的燃烧室。外炉壁上，留有观火孔、测量孔，观火孔用来监测火灾燃烧情况及试件 变形情况等，测量孔用来测量相应位置的变形及侧移等。设有移动炉门，试验准备时，可以 将炉门搬移，试验进行时，可以利用炉门将燃烧室形成固定的燃烧空间，模拟不同房间失火。 炉门是由耐火材料，根据实际尺寸需要制成。
(2) 试验炉体的建造方法。外炉壁材料一般选用耐火砖等类型的耐火材料。内炉壁由 耐火混凝上板和耐火砖砌筑的墙体组合而成。耐火砖的砌筑方法及纵横墙交接处构造要求均 按照《砌体结构设计规范》(GB50003-2001)设计。炉体第二层的内炉壁砌筑方法不同于底 层。为防止第二层内炉壁墙体荷载直接施加在底层的混凝土板上，影响底层混凝土板上的真 实承受荷载的情况，故在标高略高于底层混凝土板处，借助外炉壁，制作了双向悬臂梁，承 担第二层内炉壁的荷载。具体可参见图l。
(3) 试验炉的燃油管路、风化管路及相关的测试线路连接方式参见图3，其中，附图仅 仅给出单个燃烧室的连接方式，其余各燃烧室均与此相同。
(4) 每个燃烧室设置均匀布置四个燃烧喷嘴，并在特定位置布置热电偶测量燃烧室温 度。根据模拟的工作状况，决定哪个燃烧室参加工作。
(5) 试验炉内构件的凼定及加载。试验构件可以预制，然后用吊车吊装入砌筑完成的 抗火试验炉内，并进行固定。利用千斤顶，借助反力架对相应的试验构件施加试验荷载，模拟真实受荷情况。千斤顶采用油压式，可以通过油泵控制千斤顶的力，使其满足在构件变形 的情况下满足荷载恒定。利用额定的荷载块来模拟混凝土板上的承受的恒荷载。
(6) 侧移和变形的测量。由于炉内温度较高，位移计不能在炉内使用，故利用耐高温 瓷管将相应位置的变形或侧移导出试验炉外部，再借助差动式位移计进行测量。
(7) 试验丌始前，可用耐火纤维材料填充、封堵试验炉的各处空隙，防止热能丢失， 升温缓慢，导致能源浪费。
本发明是一种能够进行足尺双层双跨框架结构的抗火试验装置，以模拟在真实火灾、真 实加载情况下进行的受火试验，测试框架结构的耐火极限、结构的力学性能、结构反应等， 为基于火安全的结构设计提供依据。本发明的有益效果有木发明的装置能较好的进行单层 框架、剪力墙的抗火试验，能够较好的模拟真实的火灾环境，且可以模拟多种燃烧的工作状 况，如单层单室、单层两室、同跨双层受火等，从而可以更加科学的进行建筑构件抗火性能 的研究，为提出建筑结构抗火设讣方法提供可靠的试验数据和科学依据。
(四)
图1为双层双跨框架结构抗火试验装置结构图2为图1抗火试验装置A-A剖面图3为图1抗火试验装置B-B、 D-D剖面图4为图1抗火试验装置C-C剖面图5为图1抗火试验装置E-E剖面图。
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
本实施例装置主要包括炉体部分、加载装置、测量装置，根据双层双跨框架结构的特点， 通过一定的设置形式组成四个燃烧室。炉体主要包括外炉壁、各燃烧室的内炉壁，并附属建 有燃油管路、风化管路和相关测试线路等部分。外炉壁上设有观火孔、测量孔等。加载装置 主要包括反力架等设施。测量装置主要包括耐髙温瓷管、差动式位移计、热电偶、数据采集 仪、计算机。本实施例的装置可以进行双层双跨框架结构的抗火试验，主要包括炉体的建造， 试验荷载加载、数据测量等。
结合图l，本实施例包括炉体、加载装置和测量装置，炉体包括炉体后壁l、外炉壁2和 内炉壁3，内部设置有燃油管路4、风化管路5和测试线路6，加载装置设置在炉体外部，测 量装置包括设置在炉体上的耐高温瓷管7、差动式位移计8、热电偶9和设置在外部的数据采 集仪10、计算机11。外炉壁2、内炉壁3包围构成炉室，由试验框架的混凝土板12和混凝 土悬臂梁13把炉室分隔为四个不同的燃烧室I 、 II 、 III、 IV;外炉壁2上设有观火孔15、测量孔16;外炉壁2内设置有框架梁17和框架柱18，框架梁17和框架柱18构成双层双跨 框架结构；框架梁17上设置有荷载块19，加载装置包括反力架20，反力架20和框架梁17 之间安装有千斤顶21;燃烧室内的内炉壁3外侧设置有燃烧喷嘴22，热电偶9设置在燃烧喷 嘴22附近；混凝土板12设置在内炉壁3上方，内炉壁3前方设置有可移动炉门23;耐高温 瓷管7、差动式位移计8设置在测量孔16内，耐高温瓷管7、差动式位移计8和热电偶9分 别通过测试线路6连接数据采集仪10、计算机11;燃烧喷嘴22分别连接燃油管路4、风化 管路5，风化管路5连接外部风机24，燃油管路4连接外部供油系统25。 本实施例按以下步骤实施
(1) 根据火灾升温的最高温度以及炉体的尺寸大小等因素，确定燃烧器及热电偶的个数。 合理布置燃烧喷嘴和热电偶在炉壁上的具体位置。
(2) 根据试验要求及试验场地条件来设计和建造炉体和炉底结构，确定各个部位的具体 尺寸。具体的炉体平面布置图以及炉体结构剖面图如图1所示。连接炉体的各个组成部分， 即炉体的燃烧嘴与燃油管路、风化管路、热屯偶及测试线路、计算机等。
(3) 吊装试验构件就位，并利用反力装置对构件进行加载。利用油压千斤顶借助反力架 装置，对框架杵进行加载。利用耐高温瓷管，穿过测量孔，将柱中和柱顶的侧移导出，再连 接差动式位移计进行测量。耐高温瓷管与框架柱可靠连接。
(4) 调试好各种设备后，点火开始试验，采集各类试验数据。 本实施例的操作过程为-
进行双层双跨框架结构试验，可以分为多种工作状况的受火情况，各类试验的具体实施 如下所述。
(一) 单层单室受火可以选择底层或第二层的任燃烧室作为燃烧空间，即I、 II、
m、 iv各自单独承受火灾。单室受火时，需要将相邻的燃烧室间利用耐火材料，依靠预埋件
14充分隔离，并做好试验框架柱和节点的相关保护。
(二) 同层双跨受火可以进行底层或第二层的双室受火试验，即i和n同时受火、m 和iv同时受火两种工作状况，此时需将两相邻燃烧室连通。
(三) 双层同跨受火共包括两种工作状况，即i和m同时受火、n和iv同时受火。此 时，需将各层的相邻跨间充分隔离，隔离方式同歩骤(一)。
(四) 各层各跨均受火四个燃烧室均同时受火，此时同层的各燃烧室间互相连通。
权利要求
1、一种双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于它包括炉体、加载装置和测量装置，炉体包括炉体后壁、外炉壁和内炉壁，内部设置有燃油管路、风化管路和测试线路，加载装置设置在炉体外部，测量装置包括设置在炉体上的耐高温瓷管、差动式位移计、热电偶和设置在外部的数据采集仪、计算机。
2、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的外炉壁、内 炉壁包围构成炉室，由试验框架的混凝土板和混凝土悬臂梁把炉室分隔为四个不同的燃烧室。
3、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的外炉壁上设 有观火孔、测量孔。
4、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的外炉壁内设 置有框架梁和框架柱，框架梁和框架柱构成双层双跨框架结构。
5、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的框架梁上设 置有荷载块，加载装置包括反力架，反力架和框架梁之间安装有千斤顶。
6、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的燃烧室内的 内炉壁外侧设置有燃烧喷嘴，热电偶设置在燃烧喷嘴附近。
7、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的混凝土板设 置在内炉壁上方，内炉壁前方设置有可移动炉门。
8、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的耐高温瓷管、 差动式位移计设置在测量孔内，耐高温瓷管、差动式位移计和热电偶分别通过测试线路连接 数据采集仪、计算机。
9、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验装置，其特征在于所述的燃烧喷嘴分 别连接燃油管路、风化管路，风化管路连接外部风机。
10、 根据权利要求1所述的双层双跨框架结构抗火试验实现方法，其特征在于首先砌筑适合 于开展足尺双层双跨框架结构相应试验构件的炉体，然后，吊装试验构件就位，将构件与地 面可靠连接，并通过加载装置对构件相应位置施加试验荷载，连接相关测试元件的线路并迸 行调试，利用计算机控制，点火开始试验，测试并采集数据，完成试验。
全文摘要
本发明提供了一种双层双跨框架结构抗火试验装置及其实现方法。它包括炉体、加载装置和测量装置，炉体包括炉体后壁、外炉壁和内炉壁，内部设置有燃油管路、风化管路和测试线路，加载装置设置在炉体外部，测量装置包括设置在炉体上的耐高温瓷管、差动式位移计、热电偶和设置在外部的数据采集仪、计算机。本发明能够较好的进行单层框架、剪力墙的抗火试验，能够较好的模拟真实的火灾环境，且可以模拟多种燃烧的工作状况，如单层单室、单层两室、同跨双层受火等，从而可以更加科学的进行建筑构件抗火性能的研究。
文档编号G01M99/00GK101476991SQ200910071338
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月24日 优先权日2009年1月24日
发明者吕俊利, 张大山, 李晓东, 杨志年, 勇 王, 董毓利 申请人:哈尔滨工业大学