公路配筋混凝土桥梁火灾损伤机理与承载力实验装置的制作方法

该发明涉及桥梁安全技术领域，具体的说是一种用于桥梁安全性实验与验证的公路配筋混凝土桥梁火灾损伤机理与承载力实验装置。

背景技术：

测试混凝土桥梁的火灾损伤机理与承载力需要制作混凝土梁火灾试验炉，常规试验炉的形式多种多样，大小规格各不相同，试验炉内部的升温曲线按照相关的技术标准应符合国际标准升温曲线，并且主要是测试工民建结构在封闭情况下构件火灾损伤状况。混凝土桥梁火灾大多发生在野外，具有开放式性，其燃烧规律和升温曲线具有独特性，而普通火灾试验炉很难满足要求。针对实验目的与要求，需要制作一种特殊的火灾试验燃烧装置，并且具有如下功能：(1)真实有效模拟野外桥梁火灾时的真实场景，达到测试火灾梁的升温规律、损伤机理及承载力变化情况，(2)同时能进行小型混凝土试件单面受火、双面受火、三面受火的燃烧试验。

常用的火灾试验炉，存在如下问题：一、封闭式的炉膛，与桥梁发生火灾时的真实情况不相符；二、普通的试验炉，使用天然气和汽油为燃料的居多，不能模拟真实的高速路挂车起火的真实场景；三、大型的、封闭的试验炉较为笨重，无法灵活移动，因而造成实验过程的不便性；四、功能单一，燃烧大构件的燃烧炉在燃烧小构件时容易产生浪费，燃烧小构件的燃烧炉无法完成小构件的燃烧。所以有必要发明一种能够模拟桥梁火灾真实场景、开口式、多功能的、能灵活移动的以柴油为燃料的火灾试验炉。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种公路配筋混凝土桥梁火灾损伤机理与承载力实验装置，要解决的第一个技术问题是使得火灾试验炉能模拟野外桥梁发生火灾时的真实场景，第二个技术问题是使火灾试验炉的上封顶开放，不在封闭的环境下实验，增加实验的安全性、可靠性；第三个技术问题是使用柴油作为燃料，增加了炉子的雾化装置，使得燃料充分燃烧，更加接近现实情况，并且节约成本；第四个技术问题是制造炉子尽可能在满足实验的前提下缩小炉子的几何尺寸，方便移动(升降)，因为考虑到桥梁主梁比较笨重，移动不方便，采取移动火灾燃烧炉，即烧完主梁后，移走火灾燃烧炉，再做火灾梁的相关力学性能试验，第五个技术问题是满足多功能试验要求，即既能燃烧大型混凝土主梁，又能对不同尺寸的小构件采取单面受火、双面受火、三面受火的燃烧试验(实现方式为点燃不同的喷油燃烧棒)。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

针对火灾损伤桥梁，通过外观损伤观测、材料火灾性能实验手段，进一步揭示桥梁火灾损伤机理。

公路，尤其是高架桥高速路/快速路，当发生火灾时，需要对火灾桥梁的损伤进行研究，例如，油罐车在桥下爆燃等情况。这种情况下需要从时间和强度的角度定量的分析其对于桥梁的影响。

一种可以模拟火灾真实燃烧场景的燃烧装置，包括燃烧箱体、燃烧棒、供油系统、氮气供应系统、送风系统和移动支持载体。

公路配筋混凝土桥梁火灾损伤机理与承载力实验装置，其特征在于，包括：

燃烧箱体，所述燃烧箱体内壁设置耐火砖形成测试炉膛；

燃烧棒，所述燃烧棒包括安装部和燃烧部，其中燃烧部内具有油管和气管，在所述油管和气管上设置喷油孔和喷气孔，所述燃烧部处串接安装若干彼此并列设置的V形稳焰组件，所述稳焰组件位于油管和气管的上部，油管和气管外围中下部包裹有保温罩，并在保温罩中填充保温岩棉的具有一定耐火性能的填充物，在保温罩下部固定下部的横梁支撑杆上；所述燃烧棒通过安装部安装在燃烧箱体内部，在安装盘上固定有点火装置，点火装置的点火点位于喷油孔处；

在燃烧箱体的上端边沿设置有第一模拟风出口，在所述燃烧箱体的底部设置有第二模拟风出口；

供油系统，所述供油系统通过油泵向所述油管供油；

氮气供应系统,所述氮气供应系统通过气泵向所述气管供应氮气；

送风系统，所述送风系统包括风机和空气调节阀门，其中，所述空气调节阀门由Y形壳体和L形阀板组成，所述Y型壳体的三个端口分别连接风机、第一模拟风出口和第二模拟风出口，所述的L形阀板中部枢接在Y形壳体内，且通过L形阀板的方位转换控制第一模拟风出口和第二模拟风出口的启闭；

和移动支持载体，包括角度调节机构和升降机构和水平移动底盘，其中，所述燃烧箱体固定在角度调节机构上，所述角度调节机构安装在升降机构顶部，所述升降机构固定在水平移动底盘上；所述水平移动底盘采用自行走式结构，在所述水平移动底盘的载物台上放置液压站、油箱和电控系统。

进一步地，所述水平移动底盘采用可横向和纵向行走的电动拖车底盘，电动拖车底盘采用带有刹车作用的充气橡胶轮。

进一步地，所述升降机构包括上框架、下框架和液压油缸，上、下框架之间进行上下可滑动的连接，且在两个框架之间安装竖向布置的液压油缸，所述上框架上焊接连接角度调节机构。

进一步地，所述角度调节机构包括第一横梁、第二横梁和平行四边形伸缩结构，其中，所述第二横梁焊接固定在上框架上，所述第一横梁和第二横梁之间铰接连接，在第一横梁和第二横梁上对应的设置有安装平行四边形伸缩机构的空间，其中四边形伸缩机构中的一对对角铰接点分别安装在第二横梁与第一横梁之间，另外一对对角所在的轴通过一个丝杠由电机进行驱动，当电机驱动时，所述第二横梁可绕铰接处旋转，燃烧箱体倾斜角度改变。

进一步地，在第一横梁的上表面设置有两个卡勾，所述卡勾为L型，与燃烧箱体底部转角处的固定卡配合；在燃烧箱体的底部四个转角处设置有四个固定卡，所述固定卡为矩形结构，并在固定卡附近设置有加固钢板。

进一步地，在所述上框架上还设置有喷淋系统，沿着上框架的横梁的内部设置有伸缩杆，所述伸缩杆由电动推杆控制伸缩，所述伸缩杆上设置输水管道和水泵，在伸缩杆的前端固定一直杆，并且在直杆的端部设置有喷头，水箱设置在下框架上。

进一步地，所述L形阀板外接调节杆，将转动调节杆旋转至两极限处，则仅有第一模拟出风口或者第二模拟出风口中的一处通风。

进一步地，在燃烧箱体的中间位置设置一个耐火砖隔断将测试炉膛分割为两个空间，呈“日”字形。

进一步地，所述稳焰组件包括稳焰内罩和稳焰外罩，其中，所述稳焰内罩和稳焰外罩为耐火材料部件，从断面上看，稳焰内罩的形状为自中心向两侧依次为凹槽、平底和斜壁，呈整体为展翼形状，稳焰内罩安装在稳焰外罩中，且在稳焰外罩中形成两个凹槽，分别与喷油孔和喷气孔对应，凹槽沿直管的轴线方向布置。

进一步地，在斜壁上设置有多个第一通孔，在稳焰外罩的斜壁上设有第二通孔。

本发明的有益效果是：

1、风量、风向可调节，可以根据实验需要进行不同工况下的模拟，并采集相应的试验数据。

2、可以单独使用，也可车载使用，可升降和移动，适用性强。

3、采用燃烧棒结构，模拟过火面积大，便于形成面状过火效果，尤其适用于模拟大面积的剧烈火灾，且内部的供气系统使得空气流通，燃料充分燃烧，安全性高。

4、功能多样，既能燃烧大型混凝土主梁，又能对不同尺寸的小型构件进行单面受火、双面受火、三面受火试验。

附图说明

图1为本发明燃烧箱体的立体结构示意图。

图2为本发明燃烧箱体的俯视示意图。

图3为本发明燃烧箱体的断面示意图。

图4为本发明送风系统的空气调节阀的原理图。

图5为燃烧棒的燃烧部断面图。

图6为本发明燃烧箱体放置在支持载体上的结构示意图。

图7为本发明支持载体上的第一横梁及角度调节机构的示意图。

图8为本发明支持载体的立体结构示意图。

图9为本发明实验过程效果示意图。

图10为本发明需角度调节时的实验过程示意图。

图中：1-燃烧箱体，111-固定卡，2-燃烧棒，21安装部，22燃烧部，221喷气孔，222喷油孔，223第一通孔，224第二通孔，23稳焰组件，231稳焰内罩，232稳焰外罩，24保温罩，25耐高温保温岩棉，26螺钉组件，27横梁支撑杆，31-陶瓷风嘴，32-模拟风出口，4-充气橡胶轮，51-上段立柱，52-下段立柱，53横梁，61-第一横梁，62-第二横梁，7-卡勾，8-平行四边形伸缩结构，9-伸缩杆，10-水泵，11-喷头，12-水箱，13-油箱，14-液压站，15-空气调节阀门，151Y形通道，152L形阀板，16集烟罩。

具体实施方式

如图1-图10，一种可以模拟火灾真实燃烧场景的燃烧装置，包括燃烧箱体1、燃烧棒2、供油系统、氮气供应系统、送风系统和移动支持载体。

燃烧箱体1，采用矩形的钢箱，在钢箱内设置耐火砖，耐火砖采用300mm×800mm的耐火砖，形成燃烧箱体1,内部空间为测试炉膛。

在燃烧箱体1的中间位置设置一个耐火砖隔断，将燃烧箱体1内部分割为两个空间，呈“日”字形。

在燃烧箱体1的侧壁上开孔，每一个孔中安装一个燃烧棒2，燃烧棒2采用工业级燃烧棒，其结构和作用通过以下文字进行详细说明。

燃烧棒2包括安装部21和燃烧部22，其中燃烧部22包括两排油管和气管，在油管和气管的燃烧部上一侧沿母线方向钻孔，形成若干排列设置的喷油孔和喷气孔，其中与氮气罐连接的气管为氮气通道，在氮气通道上的小孔为喷气孔221，用于稳定火焰，避免爆燃，与油泵连接的为喷油孔222，容易理解的，当油泵工作时，喷油孔222中喷出油雾，由于喷孔较小，可以防止回火现象的产生。为了达到满足废机油等油料的特性要求，对每个喷油孔222处进行的特殊的设计，具体地，喷油孔222的开口较小，直管的气流通道截面积为喷油孔222截面积的10到20倍，参考图5，形成一个气流膨大部，这样当燃油自喷油孔处喷射出来后，会在喷油孔处形成降速，降速幅度与两者通道的截面积成反比，为后期的雾化做好预备工作。

燃烧部设有串接安装若干彼此并列设置的V形稳焰组件23，稳焰组件位于油管和气管的上侧，用于稳定燃烧预期，平衡燃烧过程。稳焰组件23包括稳焰内罩231和稳焰外罩232，其中，稳焰内罩231和稳焰外罩232为耐火材料部件，从断面上看，稳焰内罩231的形状为自中心向两侧依次为凹槽、平底和斜壁，呈整体展翼形状，稳焰内罩安装在稳焰外罩中，且在稳焰外罩中形成两个凹槽，分别与喷油孔和喷气孔对应，凹槽沿直管的轴线方向布置，且在凹槽上设有多个喷气孔221和多个喷油孔。在斜壁上设置有多个第一通孔223，用于火焰和可利用尾气的初步混合，形成第一次稳焰的作用，同时在稳焰外罩的斜壁上设有第二通孔224，为圆形孔，以方便部分高温烟气通过并助燃。上述的稳焰组件皆采用耐火材料制作，并直接或者间接的固定在油管和气管上。

对油管和气管外围整体做了保温设计，外围包裹有保温罩24，并在保温罩中填充保温岩棉的具有一定耐火性能的填充物—耐高温保温岩棉25。为满足后期保温填充物的更换，设计成可拆装的结构，具体地，在保温罩下部设有螺钉组件26，螺钉组件包括螺钉和锁紧螺母，通过锁紧螺母可以将燃烧固定下部的横梁支撑杆27上。

安装部21实质为一烧嘴安装盘，并在安装盘上固定有点火装置，点火点位于一侧的稳焰内罩中的一个喷油孔处。

在本设备的上部设置一个集烟罩16，为一个辅助与选用配件，该集烟罩采用耐高温的玻璃纤维材质制作，集烟罩与风机的进气口进行连通，工作过程中，将集烟罩放置在桥梁侧面的高端位置，抽取高温烟气并经过风机进行补充到燃烧箱体1内，形成补气，降低燃料的用量，节能减排。

本补燃燃烧器工作原理：

燃油在油泵的输送下通过喷油孔(内、外稳焰罩位置处的小孔)进行排放快速喷射，由于喷油孔采用小孔喷射，火焰刚度强，又增加了一个氮气补气孔，当燃气经过喷孔出口处的喷管进行降速，降低了火焰的长度，满足了既有火焰刚度火焰又短的的特点，便于模拟火灾情况下的燃油真实燃烧场景。在点火时，通过点火装置进行点火，燃烧时，高温烟气从喷孔的背面进入，分别通过第一通孔和第二通孔进行高温烟气与火焰的两次混合，并初步燃烧，最后与大面积的高温烟气进行混合并充分燃烧。燃烧器两端通过安装盘与箱体进行支撑，形成两个支撑点，结构比较牢靠，同时比较便于更换和维修。本燃烧器在炉内安装时，采用列式安装，可以单组也可以多组同时使用。

在燃烧箱体1的上端口还设置有第一模拟风出口，第一模拟风出口采用陶瓷风嘴31，安装在燃烧箱体1的上边沿，通常设置为两排，根据实验需要，对其进行控制，喷出风为空气，用于模拟自然风的影响。

陶瓷风嘴31角度可调节，根据需要调节陶瓷风嘴31的角度，用于模拟不同风向的情况。陶瓷风嘴31与风机送风系统进行连接，其中的送风量可调节。

在燃烧箱体1的底部设置有多个第二模拟风出口32，可以根据需要进行送风，模拟不同火焰强度下的情况。其中第二模拟风出口32主要用于控制火焰的强度和火焰的刚度。陶瓷风嘴31用于控制横向风，使得火焰呈现不稳定状态。

供油采用柴油，供油系统包括油箱13、油泵和电喷控制，通过供油系统向燃烧棒2供油。

氮气供应系统，包括高压氮气罐和控制电磁阀，通过控制电磁阀控制氮气的供应流量，保证火焰的稳定燃烧。

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的管道，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的出气孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的管道，然后通过气压来推动气缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

送风系统，包括风机和空气调节阀门15。

所述空气调节阀门15的管体为Y形，形成分叉的通道，通道为Y形通道151，总管口与风机连通，两个分管口分别与陶瓷风嘴和模拟出风口进行连通，其内部有L形阀板152，两阀板片之间成90°夹角，沿两阀板片的连接处在阀门的阀体上有一调节杆，枢接连接在通道壳体上，可转动调节杆，使两阀板片一起转动，若将转动调节杆旋转至两极限处，则为陶瓷风嘴31和第二模拟出风口32两处中只有一处可进风，在其他位置则为调节陶瓷风嘴31和第二模拟出风口32两处的进风量大小。由此空气调节阀门15可以控制陶瓷风嘴31和第二模拟出风口32两处的进风口的启闭以及送风量的大小。

在燃烧箱体1的底部四个转角处设置有四个固定卡111，固定卡111为矩形结构，并在固定卡111附近设置有加固钢板。

移动支持载体，采用自行走式结构，包括升降机构、水平移动机构和角度调节结构，其中升降机构用于调节燃烧箱体1的高度，控制火焰与桥底的距离，水平移动机构用于控制燃烧箱体1的水平位置，尤其是控制火焰在桥梁横向上的位置。角度调节结构，用于控制火焰的燃烧角度，模拟不同燃烧状况下的损伤机理。

移动支持载体采用水平移动底盘，水平移动底盘采用可横向和纵向行走的电动拖车底盘，电动拖车底盘采用带有刹车作用的充气橡胶轮4；另一部分为支持载体，是升降机构和角度调节机构，是由若干方钢通过焊接和铰接的方式组合而成，整体为一长方体框架结构。

水平移动底盘，即在支持架下安装四个带有刹车作用的充气橡胶轮4，充气橡胶轮能够适应复杂的桥下环境，方便转场实验，在水平移动底盘上有一个载物平台，将支持载体直接放在载物平台上，在支持平台的一侧设置有扶手，方便推动移动支持载体至模拟桥梁下，容易控制燃烧箱体1的水平位置。

支持载体的底面是一个长方形的框架，从长方形框架的两条长边垂直向上延伸有四根方钢立柱，四根方钢立柱分为上下两段，上面一段立柱的截面边长要小于下面的立柱截面边长，即上段的立柱可插入下段的立柱内，且由液压缸控制上段立柱51可沿下段立柱52内进行上下滑动，在下段立柱52上设置有一个孔，在上段立柱51上设置有多个孔，在确定好高度后，若需长时间保持此高度，可将销插入下段立柱52与上端立柱51重合的孔中，以稳定结构。上段立柱通过横梁形成上框架，下段立柱通过横梁形成下框架。在下段立柱52和上端立柱51的顶部之间分别固定有三根横梁，分别平行于底面长方形框架的两宽和一长，即共有两根长横梁和四根短横梁，增加支持载体的稳定性，在上下两根短横梁之间设置有液压缸，由此可以调节上下两横梁之间的距离，换句话说，也就是调节火焰与桥底的距离，也就是升降机构。这种机构具有最大的升降空间，以及安装油箱、水箱的空间，空间布局合理。

角度调节结构包括第一横梁61、第二横梁和平行四边形伸缩结构8，其中，第二横梁62焊接固定在上述的升降机构的横梁53上，长度相同的第二横梁和横梁并列焊接固定在一起。第一横梁和第二横梁之间铰接连接，且铰接点位于后端，标记为A，第二横梁62与第一横梁在此处形成剪刀叉，在第一横梁61的上表面设置有两个卡勾7，所述卡勾7为L型，与燃烧箱体1底部转角处的固定卡111配合，用来固定燃烧箱体，其中，为提高燃烧箱体的局部强度，局部进行钢板加强。在第一横梁和第二横梁上对应的设置有安装槽，用于安装四边形伸缩机构8，其中四边形伸缩机构是由四个杆件组成的平行四边形连杆机构，其中的一个对角铰接点分别固定在第二横梁62与第一横梁61之间还设置有平行四边形伸缩结构8，平行四边形伸缩结构8的两个对角分别固定在第一横梁61和第二横梁62内部，另外一对的对角所在的轴通过一个丝杠、电机81进行驱动，当电机转动时，平行四边形伸缩结构8进行变形，第二横梁62可绕铰接A处旋转，来改变箱体的倾斜角度，从而控制火焰的燃烧角度，也就是角度调节机构，且该机构具有自锁功能，可以实现长期保持在某一角度。根据本实验的目的，最大转动45度即可满足要求。

在上段方钢立柱上还设置有喷淋系统，沿着上框架的横梁的内部设置有伸缩杆9，横梁53为镀锌方钢管，伸缩杆与横梁内腔之间采用滚动轮配合，伸缩杆9由电动推杆91控制，伸缩杆9上设置输水管道和水泵10，并且在伸缩杆9的前端，沿着伸缩杆9的伸缩方向固定一直杆，并且在直杆的端部设置有喷头11，水箱设置在下框架上，兼有配重的作用，防止倾覆。在不需要用到喷淋系统时，可利用液压缸将伸缩杆9收回至横梁53内部。

在支持载体的底面的长方形框架上，放置有三个存储箱，分别为：油箱13、水箱12和液压站14。油箱13是用来存储柴油，通过供油系统输送至燃烧棒2，提供燃烧所需的燃料。水箱12是用来存储水，在喷淋系统启动时，打开水泵10，由水箱12经输水管送水至喷头11，进行喷淋作业。液压站14是用来存储液压油，提供液压油给液压缸，保证其工作正常进行。

将三个存储箱放置在支持载体底面的长方形框架上，也加强支持载体的稳定性。

本发明的试验方法：

首先检查好实验装置的各个内部装置是否正常，其次要确保油箱中的油量充足，将耐高温热电偶温度传感器放置于喷火口、实验构件的内部及周围并随同于测试炉膛外部的红外温度传感器一并连接到温度采集控制仪上。按如下操作顺序开始实验：

将热电偶温度传感器连接到温度采集控制仪上，并调试好温度采集仪，包括采样频率，采样时间等。

通过移动支持载体将燃烧箱放置在需要做火灾试验的主梁下面，并固定住，然后启动燃烧系统。

燃烧系统启动顺序为：风机，气泵，油泵。

点火前准备，必须满足气泵压力大于0.6MP，油泵压力大于0.6MP，才能进行下一步。

开启助燃风阀，再开空气调节阀，最后开油阀，若燃烧不稳定要适当调节助燃空气阀，压缩空气，油阀。

混凝土试件燃烧试验方法：(1)若测试单面受火：开启一个燃烧棒的油嘴，燃烧棒喷出火焰正对试件一个面，为防止火焰烘烤侧面，采用耐火砖和耐火土对其它面进行遮挡和保护。(2)若测试双面受火：开启两个燃烧棒的控制油嘴，燃烧棒喷出火焰正对试件相邻两个面，为防止火焰烘烤其它侧面，采用耐火砖和耐火土对其它面进行遮挡和保护。(3)三面受火：开启三个燃烧棒，燃烧棒喷出火焰正对试件相邻三个面，为防止火焰烘烤其它侧面，采用耐火砖和耐火土对其它面进行遮挡和保护。实验过程中，通过调节风阀、喷油量等方式，实现不同火灾强度下试件的受火情况，获取不同燃烧工况下试件梁的温度变化规律和损伤规律。在燃烧过程中，温度测温仪实时采集各点温度变化值，采样频率为0.1HZ，考虑燃烧时间对试件的损伤情况，燃烧时间分为0.5小时、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时五个工况。通过燃烧试件的火灾试验，最终达到如下目的：考虑不同燃烧强度和燃烧时间等因素的影响，获得单面受火、双面受火、三面受火工况下试件的温度传递规律和温度分布情况，建立试件温度与燃烧时间、空间位置参数的定量计算公式，从而能定量计算试件的温度场。

主梁燃烧试验方法：燃烧棒同时开启，实验过程中，通过调节风阀、燃烧棒燃烧角度、喷油量、升降燃烧炉等方式，实现不同工况下梁的受火情况，获取不同燃烧工况下梁的火灾损伤规律。在燃烧过程中，温度测温仪实时采集各点温度变化值，采样频率为0.1HZ，考虑燃烧时间对梁的损伤情况，燃烧时间分为0.5小时、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时五个工况。通过燃烧梁试验，最终达到如下目的：针对野外桥梁火灾特点，考虑不同风力、不同燃烧强度、不同燃烧位置和燃烧时间等因素的影响，建立火灾梁损伤指标体系，从而对火灾桥梁损伤状况进行定性和定量评价。

根据实验要求确定所需风的位置以及风量，调节空气调节阀门，确保实验的真实性。

若需研究灭火过程或灭火后对桥梁强度损伤的影响，则可在燃烧时开启喷淋系统，模拟消防救援实景，并实时记录所需数据，并结合火灾梁力学性能指标实验数据，获得火灾梁在喷淋冷却工况下的损伤状况。

试验进行完毕按照先开的后关，后开的先关的顺序进行合理规范化的操作，确保实验过程万无一失。

关闭完燃烧器后，需要对油路进行吹扫，以免堵塞。

如有堵塞，需检查油嘴，用压缩空气进行吹扫。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。