适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉的制作方法

本申请涉及建筑结构防灾减灾技术领域，具体涉及一种适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉。

背景技术：

建筑物在火灾中的倒塌，是火灾的次生灾害之一，火灾给人类的生命财产造成了极大的损失。钢结构不耐火，当温度升高到600℃时，钢材将丧失大部分强度，造成受火构件的破坏，进而引起周边构件的相继失效，甚至结构倒塌，即连续性倒塌。因此，研究如何防止钢结构在火灾中发生连续性倒塌，具有重要的现实意义。

目前，国内外对火灾下钢框架结构的连续性倒塌试验研究相对较少，多处于数值模拟状态。出现这种情况的主要原因是试验研究耗费金钱多时间长，其次是缺少一种能适用于三维框架结构火灾试验的电阻炉。目前的电阻炉多只能进行平面框架结构火灾试验或者是不含楼板的三维框架结构火灾试验。而且，现有适用于平面框架结构火灾试验的电阻炉存在以下缺陷：(1)由于其高度是固定的，只能加热单一高度的试件；(2)只能适用于平面框架的火灾试验；(3)保温装置挂在试件上，变形是被动的，有些试验构件可能不方便吊挂保温装置；(4)试件装置大变形后，保温装置下沉，炉体上方出现较大空隙，热气会露出，电炉难以继续升温。

技术实现要素：

本申请的目的在于，克服现有技术的不足，拓展火灾下钢结构抗连续性倒塌的研究手段，提供一种适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉，以适应于三维框架结构并允许被测三维框架结构发生大变形，能实现电阻炉与三维框架结构较好的协同变形效果。

为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

一种适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉，包括基座、下炉体、上炉体、发热电阻丝、上炉体移动装置、高频激光测距传感器以及控制系统；

下炉体包括第一下炉体和第二下炉体，第一下炉体和第二下炉体相对设置，且分别可左右滑动地安装在基座上，两者对合后形成下炉体；上炉体包括第一上炉体和第二上炉体，第一上炉体可上下滑动地套设在第一下炉体外侧，第二上炉体可上下滑动地套设在第二下炉体外侧，第一上炉体和第二上炉体对合后形成上炉体；上炉体与上炉体移动装置连接，并在上炉体移动装置的驱动下沿下炉体上下滑动；下炉体的内侧壁表面及上炉体的内顶壁表面均布设有发热电阻丝；

对应于第一上炉体和第二上炉体相对合的位置，在第一上炉体和第二上炉体的顶部中间位置还分别开设有相对的凹槽，用以穿过试验三维框架结构的受火框架柱；

高频激光测距传感器设置有若干个，且分别与控制系统连接，用以向试验三维框架结构上部的非受火梁或板的下表面发射激光，以测量试验三维框架结构上部的非受火梁或板的下表面在受火框架柱发生屈曲时的竖向变形下降的距离及速度，并将所述距离及速度传输给控制系统；

控制系统与上炉体移动装置连接，用以根据所述距离及速度控制上炉体移动装置带动上炉体沿下炉体滑动，并与试验三维框架结构的竖向变形同步。

进一步，若干高频激光测距传感器可以均安装在试验三维框架结构上部的非受火梁或板下表面正下方的电阻炉的上表面，并垂直向试验三维框架结构上部的非受火部分梁或板下表面发射激光，相互之间不会受到影响。

在本申请中，高频激光测距传感器的位置可以根据具体情况调整，例如可以安装在试验三维框架结构上部的非受火梁或板下表面的竖向变形最大的位置下方；或者，高频激光测距传感器还可以安装在整个装配式电阻炉外部附近其他位置，如固定于上炉体正上方的试验三维框架结构上部的非受火梁板下表面，或放置于地面或地面的固定物体之上等。

进一步，可以在第一上炉体、第二上炉体的外侧各自安装一组上炉体移动装置；两组上炉体移动装置均可左右滑动地安装在基座上，并分别用以控制第一上炉体、第二上炉体上下滑动；

在本申请中，下炉体的内侧壁表面及上炉体的顶部内表面均布设有发热电阻丝；与下炉体相接触滑动的上炉体内壁表面不设发热电阻丝，非工作状态下与下炉体相接触的上炉体的顶部内壁表面也不设发热电阻丝。

进一步，第一上炉体、第二上炉体、第一下炉体以及第二下炉体内布设的发热电阻丝分别与不同的炉体开关连接，以便于在试验过程中可通过控制不同炉体开关来实现受火框架柱的均匀升温。

进一步，在上炉体、下炉体的内表面均设置有保温材料。

在本申请中，上炉体与下炉体的接触处均为轻触，为了做到上炉体与下炉体之间为轻触状态，在设计炉体尺寸的时候，可让上炉体的内壁和下炉体的外壁是接触的，且两者接触的表面平整光滑，且上炉体的保温材料可采用具有一定变形能力的柔性材料。上炉体与下炉体之间为轻触可保证上炉体沿下移的过程中不受到阻碍。

在本申请中，第一下炉体与第一上炉体构成左侧炉体，第二下炉体与第二上炉体构成右侧炉体；工作状态下，左、右侧炉体可以对合连接在一起。

进一步，对应于第一上炉体和第二上炉体相对合的位置，在第一上炉体和第二上炉体的外侧壁上还安装有相对设置的两个插销，用以在左、右侧炉体对合后，通过两个插销相互插合将左、右侧炉体连接在一起。

进一步，控制系统还可以将试验三维框架结构上部的非受火梁板下表面竖向变形下降的距离以及速度直接进行输出，此时输出的结果即为试件变形的大小和速度。

进一步，上炉体和/或下炉体内还设置有温度传感器，温度传感器与控制系统连接，用于将测量到的上、下炉体内部的温度变化传输至控制系统，并可通过控制系统输出。

进一步，控制系统中还设置有与处理器连接的显示设备，用以输出试件变形的大小和速度，以及上、下炉体内部的温度变化。

在本申请中，上炉体的竖向移动受到控制系统的控制，不可自由上升或下降。

在本申请中，可以调整上炉体与下炉体之间的接触距离大小以调整受火框架柱以适应不同高度的试验构件，但在电阻炉的尺寸确定的情况下，这个可调整的高度是有一个范围的。因为，当受火框架柱屈曲时，上炉体与下炉体之间的接触距离最大，此时柱高为该电阻炉在该试验三维框架受载条件下能适用的最小柱高，比这个高度大的试验构件都可适用该电阻炉，但受火框架柱的受火高度会有一个最大值。

在本申请中，还可以通过调整上炉体与下炉体之间的接触距离大小以调整受火框架柱受火的高度，并以此调整受火框架柱的被加热区域，但这个过程只能调整受火框架柱从柱底至一定柱高的受火区域，例如不能实现柱底不受热而柱底以上部分受热。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

(1)本申请不但可以适用于平面框架的火灾试验，而且还将整个电炉分成了上下两半，上炉体可相对于下炉体上下移动，以适用并实现适应三维框架大变形的能力。

(2)本申请所述装配式电阻炉采用了高频激光测距，并结合高频激光测距的数据，实现上炉体运动的自动控制。

(3)本申请所述装配式电阻炉可适应不同高度的试验试件，并且在一定范围内，这个高度可以连续调整。

(4)本申请所述装配式电阻炉的上炉体的运动是主动控制的，在试验中，可根据不同的试验需求调整试验框架结构被加热的区域。

(5)试件大变形后，上炉体与下炉体之间不会出现空隙，可继续升温或实现较好的保温效果。

附图说明

图1为本申请实施例提供的适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉的构造示意图。

图2为本申请实施例提供的基座和导轨的示意图。

图3为本申请实施例提供的下炉体的示意图。

图4为本申请实施例提供的非工作状态下单侧炉体的示意图。

图5为本申请实施例提供的电炉主动控制系统的逻辑图。

图6为本实施例提供的适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉的安装完成状态的示意图。

附图中标号及符号：1—第一导轨，2—基座，3—下炉体，4—第二导轨，5—上炉体，6—上炉体移动装置，7—高频激光测距传感器，8—插销，9—受火框架柱，10—试验三维框架结构。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

如图1至图6所示，一种适用于三维框架结构火灾试验的协同变形电阻炉，包括第一导轨1、基座2、下炉体3、上炉体5、发热电阻丝、上炉体移动装置6、高频激光测距传感器7以及控制系统。

其中，基座2可以采用框架结构，框架结构的前后两边框各自安装一道第一导轨1；下炉体3包括左右相对设置的第一下炉体和第二下炉体，第一下炉体和第二下炉体的底部均安装有第一滚轮，第一下炉体和第二下炉体各自通过其底部的第一滚轮可左右滑动地安装在两道第一导轨上，且第一下炉体和第二下炉体对合后形成下炉体3；上炉体5包括左右相对设置的第一上炉体和第二上炉体，且第一上炉体可上下滑动地套设在第一下炉体的外侧，第二上炉体可上下滑动地套设在第二下炉体的外侧，第一下炉体和第二下炉体的前后外侧均安装有第二导轨4，第一上炉体和第二上炉体的前后内侧壁均安装有第二滚轮，第一上炉体和第二上炉体各自通过其内壁上的第二滚轮可上下滑动地安装在第二导轨4上，且第一上炉体和第二上炉体对合后形成上炉体。

进一步，在上炉体5、下炉体3的内表面均设置有保温材料。

在本申请中，上炉体5与下炉体3的接触处均为轻触，为了做到上炉体5与下炉体3之间为轻触状态，在设计炉体尺寸的时候，可让上炉体5的内壁和下炉体3的外壁是接触的，两者接触的表面平整光滑，且上炉体5的保温材料可采用具有一定变形能力的柔性材料。上炉体5与下炉体3之间为轻触可保证上炉体5沿下移的过程中不受到阻碍。

进一步，下炉体3的内侧壁表面及上炉体5的顶部内表面均布设有发热电阻丝；与下炉体3相接触滑动的上炉体5内壁表面不设发热电阻丝，非工作状态下与下炉体3相接触的上炉体5的顶部内壁表面也不设发热电阻丝。第一上炉体、第二上炉体、第一下炉体以及第二下炉体发热电阻丝分别受不同炉体开关的控制，试验过程中可通过控制不同炉体开关来实现受火框架柱9的均匀升温。

进一步，对应于第一上炉体和第二上炉体相对合的位置，在第一上炉体和第二上炉体两者顶部的中间位置还开设有相对的凹槽，在安装时允许试验三维框架结构10的受火框架柱9从其中通过。

在本申请中，第一下炉体与第一上炉体构成左侧炉体，第二下炉体与第二上炉体构成右侧炉体；工作状态下，左、右侧炉体对合连接在一起。

进一步，对应于第一上炉体和第二上炉体相对合的位置，在第一上炉体和第二上炉体的外侧壁上还安装有相对设置的两个插销8，用以在左、右侧炉体对合后，通过两个插销8相互插合将左、右侧炉体连接在一起。

在优选的实施方式中，插销8的末端设有螺栓孔，开始试验前，首先将试验三维框架结构10的受火框架柱9安装在左、右侧炉体对合后的正中央位置，以保证左、右侧炉体对合后受火框架柱9能够从上炉体5顶部开设的凹槽中通过，接着以受火框架柱9为中心确定其他非受火框架柱的位置，并将非受火框架柱安装在相应的位置，在所有框架柱安装完成后对框架柱的位置进行一次校核，以保证所有框架柱的位置无误，试验三维框架结构10的所有框架柱安装无误后，进行框架梁的吊装，框架梁柱安装完成后可安装楼板，在楼板安装完成后此时整个试验三维框架结构10安装完成，试验三维框架结构10安装完成后，将左、右侧炉体对合，采用螺栓穿过插销8末端的螺栓孔将左、右侧炉体连接在一起，连接完成后的上炉体5与下炉体3之间保持轻触，不影响上炉体5的竖向移动。

进一步，上炉体5的顶部外表面安装有五个高频激光测距传感器7，在本实施例中，高频激光测距传感器7可以安装在试验三维框架结构上部的非受火梁或板下表面正下方的电阻炉的上表面。在本申请中，高频激光测距传感器7的位置还可以根据具体情况调整，如放置于地面或地面的固定物体之上等。

在本申请中，高频激光测距传感器7的激光发射部分向试验三维框架结构10的上部非受火梁或板的下表面发射激光，经试验三维框架结构10的上部非受火梁或板下表面反射回的光信号可以再被高频激光测距传感器7接收。

进一步，高频激光测距传感器7的激光发射部分均垂直向试验三维框架结构10上部的非受火部分梁或板下表面发射激光，相互之间不会受到影响。

在本申请中，通过高频激光测距传感器7测量其激光发射部分到试验三维框架结构10上部的非受火梁或板下表面的竖向变形下降的距离。高频激光测距传感器7用于前述距离的测量属于现有技术。其工作原理为：高频激光测距传感器7以一定的超高采样频率发出射激光以连续测量其激光发射部分与试验三维框架结构10上部的非受火部分梁或板下表面的竖向变形下降的距离，并在极短的时间下，计算先后两个距离的差值，即可得到试验三维框架结构10上部的非受火梁或板下表面在受火框架柱9屈曲时的竖向变形下降的距离。

进一步，在本申请中还通过高频激光测距传感器7测量试验三维框架结构10上部的非受火梁或板的下表面在受火框架柱9屈曲时的竖向变形下降的速度，该技术也属于现有技术。其原理为：高频激光测距传感器7将测量到的试验三维框架结构10上部的非受火梁或板下表面在竖向变形下降的距离与时间相比，即可得到试验三维框架结构10上部的非受火梁或板的下表面在受火框架柱9屈曲时的竖向变形下降的速度。

在本申请中，所有高频激光测距传感器7均分别与控制系统连接，并将测量到的试验三维框架结构10上部的非受火梁或板下表面在受火框架柱9屈曲时的竖向变形下降的距离及速度传输给控制系统。

进一步，上炉体5的外侧安装有上炉体移动装置6，用于控制上炉体5沿下炉体3上下滑动。可以在第一上炉体和第二上炉体的外侧各自安装一套上炉体移动装置6，以分别控制第一上炉体沿第一下炉体的上下滑动，以及第二上炉体沿第二下炉体的上下滑动。作为举例而非限定，上炉体移动装置6可以采用液压杆。

申请提供的协同变形电阻炉，在非工作状态下，上炉体5可以直接支撑下炉体3之上，并可将左、右侧炉体通过插销8连接在一起。

在进行试验时，首先将左右两个单侧炉体沿第一导轨1拉开，将试验三维框架结构10的受火框架柱9安装在左、右侧炉体对合的正中央位置，受火框架柱9的位置应保证左、右侧炉体对合后能够从第一上炉体和第二上炉体顶部对合的凹槽中通过，接着以受火框架柱9为中心确定其他非受火框架柱的位置，并将非受火框架柱安装在相应位置，在所有框架柱安装完成后对框架柱的位置进行一次校核，试验三维框架结构10的所有框架柱安装无误后，进行框架梁的吊装，框架梁柱安装完成后可安装板，在板安装完成后此时整个试验三维框架结构10安装完成，试验三维框架结构10安装完成后，将左右两个单侧炉体往中间推动，并控制上炉体5往上移动，当两个单侧炉体接触之后安装插销8，将两个单侧炉体连接起来。此时整个试验装置已经安装完成，打开高频激光测距传感器7后，并通过炉体开关对上、下炉体中的发热电阻丝通电进行升温试验，可按照iso834国际标准升温曲线升温，或者也可按其他升温曲线升温，如烃类火灾升温曲线、均匀直线升温曲线等。

当受火框架柱9发生较大的变形时，试验三维框架结构10的上部非受火部分也会受影响往下移动，此时通过高频激光测距传感器7测量出试验三维框架结构10上部的非受火梁板下表面竖向变形下降的距离以及速度并传输至控制系统，控制系统根据前述距离及速度控制上炉体移动装置6驱动上炉体5沿下炉体3滑动，以实现与试验三维框架结构10的竖向协同变形，即上炉体5往下移动的距离与试验三维框架结构10的上部非受火梁或板下表面最大的竖向变形距离大小相同，同时上炉体5向下移动的速度与试验三维框架结构10的上部非受火梁或板下表面的竖向变形速度的大小相同，由此，该协同变形电阻炉与试验三维框架结构10可形成良好的协同变形效果。

进一步，控制系统还可以将试验三维框架结构10上部的非受火梁板下表面竖向变形下降的距离以及速度直接进行输出，此时输出的结果即为试件变形的大小和速度。

进一步，上炉体5和/或下炉体3内还设置有温度传感器，温度传感器与控制系统连接，用于将测量到的上、下炉体内部的温度变化传输至控制系统，并可通过控制系统输出。

作为举例而非限定，控制系统中还设置有显示设备，用以输出试件变形的大小和速度，和/或上、下炉体内部的温度变化。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。