一种模拟火灾中混凝土结构性能的测试装置的制作方法

本发明属于混凝土结构模拟检测技术领域，尤其涉及混凝土构件在火灾全过程中内部温度及内力的测试装置，涉及土建结构类。

背景技术：

混凝土结构在火灾下的安全性能是国内外普遍关心的一个问题，因为其涉及大部分土建结构。例如房建结构中混凝土梁、板、柱，隧道结构及地下结构中的衬砌、管片；桥梁结构中的桥面、主梁和桥墩等。这些混凝土结构在火灾下的内部温度演进及力学性能变化直接影响土建结构的安全性。目前国内外也开展了相关研究。陆洲导等人采用稳态保护热板试验法根据傅里叶定律推导出来普通混凝土的热传导系数与温度发关系，同时给出了简化的混凝土热膨胀系数计算表达式。郭鹏等人研究了混凝土在加热循环过程中的破坏过程与常温下混凝土在荷载作用下的破坏过程。吴波等人则对高温后c70、c85两种高强混凝土的应力-应变曲线、弹性模量和泊松比等进行了研究。李敏等人对高强混您图火灾后的抗压强度进行了试验研究。蒋树屏等对四种不同等级混凝土试块即c20、c25、c30、c35，开展了火灾试验研究，重点对火灾后的损伤深度、抗压强度与温度-时间的劣化关系进行了评估。phan和carino研究了高温对高性能混凝土构件本构关系的影响。luccioni等建立了基于复合塑性损伤模型的热力耦合模型，研究了高温后混凝土结构的力学行为。

需要注意的是目前大部分的研究主要集中在混凝土构件在火灾后的力学行为，包括火灾后混凝土抗压强度、应力-应变曲线等；以及混凝土材料在火灾后的性能，包括损伤深度、弹性模型、泊松比等。对于火灾过程中的混凝土结构的力学性能的研究和试验还很缺乏。此外，从目前已开展的部分混凝土结构火灾试验可知，大部分试验主要针对混凝土结构处于自由无约束状态下。这其中的主要原因有以下几点：(一)一部分混凝土构件在实际结构中自身处于自由无约束状态；(二)目前测试混凝土结构内力的传感器无法承受火灾高温。而大部分混凝土构件例如房建中的板、隧道中的衬砌结构等在实际结构中是处于外部约束条件下，此状态下混凝土构件在受火过程中的内部温度变化及内力变化过程如何还不得而知。

技术实现要素：

本发明根据混凝土测试研究的需要公开了一种适用于火灾全过程中自约束混凝土梁内部温度及内力变化的试验平台、测试系统，为研究火灾下自约束混凝土构件动态响应提供一种测试手段和方法。

本发明首先提供了模拟火灾中混凝土结构性能的测试装置，装置通过以下技术方案实现。

测试装置包括模拟燃烧系统和测试系统，其特征在于：

所述模拟燃烧系统由燃烧试验平台和燃烧控制系统组成；燃烧试验平台包括火灾燃烧室和非火灾燃烧室，测试用混凝土结构件同时置于火灾燃烧室和非火灾燃烧室上；燃烧控制系统向火灾燃烧室提供模拟火灾，包括燃料供应装置、燃烧器和程序升温控制装置；

所述测试系统包括混凝土结构温度测试系统和内力测试系统；温度测试系统由点阵布置间隔预埋在混凝土结构件中的热电偶及其连接的数据采集仪组成；内力测试系统由预埋在混凝土结构件一端的压力测试盒及连接的数据采集仪组成；预埋压力测试盒的混凝土结构件端放置于非火灾燃烧室侧；

所述混凝土结构件固定在自约束系统中；自约束系统为刚性材料制成的混凝土结构件侧表面约束固定装置。

所述热电偶在混凝土结构件中成点阵布置，上下方向相邻热电偶的距离为0.07米，横向方向相邻热电偶的距离为0.1米，纵向方向相邻热电偶的距离为0.2米。

所述自约束系统由与混凝土结构件侧表面结构相同的钢板焊接制成。与混凝土结构件侧表面结构相同的钢板外表面有刚性的加强筋。

所述火灾燃烧室与非火灾燃烧室由耐火材料相邻建造，火灾燃烧室设置有进气道和排烟道组成。

所述火灾燃烧室和非火灾燃烧室相邻设置；通常采用以下结构，火灾燃烧室长60cm，宽25cm，高85cm，包括进气道和排烟道；非火灾燃烧室长28cm，宽25cm，高85cm；火灾燃烧室与非火灾燃烧室之间是采用耐火材料建造分隔的隔离墙。

进行测试时，将具有自约束功能的混凝土构件置于燃烧实验平台上，并将混凝土结构温度测试元件热电偶与温度数据采集仪相连接，内力测试元件压力测试盒与内力数据采集仪连接，并分别进行系统数据初始化处理、采集，同时对燃烧系统的燃烧曲线、最高温度进行设置，然后启动燃烧系统，进行测试。测试过程中，电脑同步记录各数据采集仪所采集数据，待测试结束将数据提取转换进行处理分析。

本发明的有益效果：本发明提供了一种适用于火灾全过程中自约束混凝土梁内部温度及内力变化的测试平台，获得了混凝土结构在约束条件和火灾工况下混凝土内部温度和内力动态响应的测试方法。通过该测试装置可以实现对混凝土结构内部在约束条件下动态响应的测试，从而避免了必须建造大型混凝土结构件才能对内部响应进行测试，缩小了试验系统规模，对于大型混凝土结构件提出了一种新式的测试平台和测试方法，该测试装置可以很好地了解和掌握混凝土结构受火过程中的力学行为，对于评估火灾过程中混凝土结构安全性具有非常重要的实用价值和工程意义。

附图说明

图1是本发明测试装置结构布置示意图；

图2是本发明测试装置燃烧试验平台截面示意图，图中标记了各结构尺寸，单位：cm；

图3是图2aa横截面示意图，图中标记了各结构尺寸，单位：cm；

图4是本发明测试混凝土结构件模型，图中标记结构的尺寸，单位：cm；

图5是本发明自约束系统结构示意图；

图6是本发明测试混凝土结构件横截面示意图，图中点阵各点表示温度测试系统的热电偶布置位置，数字为布置距离，单位：cm，字母为排序标示；

图7是本发明测试混凝土结构件纵面端部示意图，图中点阵各点表示温度测试系统的热电偶布置位置，数字为布置距离，单位：cm，字母为排序标示；

图8是本发明测试混凝土结构件压力盒布置位置示意图，图中标记结构的尺寸，单位：cm；

图9是本发明测试装置燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部断面c1温度测试结果；

图10是本发明测试装置燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部断面c2的温度测试结果；

图11是本发明测试装置非燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部断面f1温度测试结果；

图12是本发明测试装置非燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部断面f2温度测试结果；

图13是本发明测试装置自约束混凝土结构件端部压力测试结果。

图中，1是火灾燃烧室，2是非火灾燃烧室，3是混凝土结构件，4是燃烧器，5是燃料供应装置，6是程序升温控制装置，7是测试系统，8是自约束系统，9是加强筋，31是压力测试盒。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整属于本发明保护的范围。

实施例一

火灾模式下自约束混凝土结构件动态响应测试装置

结合附图，整个自约束混凝土结构件动态响应测试装置包括火灾燃烧试验平台、自约束混凝土结构件和测试系统，如图1所示。图1是本发明测试装置结构布置示意图，火灾燃烧试验平台提供了火灾燃烧系统以及燃烧室和非燃烧室结构平台；自约束混凝土结构件提供了一种模拟大型混凝土结构件内部动态响应所需的试验和测试对象；测试系统提供了自约束混凝土结构件内部温度和内力测量系统及方法。以下对这三个系统进行具体详述。

(1)火灾燃烧试验平台

该试验平台由火灾燃烧室和非火灾燃烧室两部分组成。火灾燃烧室长60cm，宽25cm，高85cm，火灾燃烧室包括进气道和排烟道，进气道连接可自动点火的可燃性气体管道，排烟道连通燃烧室外；非火灾燃烧室长28cm，宽25cm，高85cm。火灾燃烧试验平台用双层耐火砖和耐火隔热材料硅酸铝浆料搭建而成。本例火灾燃烧试验平台尺寸为长160cm，宽85cm，高85cm。整个火灾燃烧试验平台采用耐火砖制成，耐火砖尺寸为24cm×12cm×6cm。考虑到火灾实验过程中温度较高，燃烧室采用双层耐火砖堆砌而成，并采用耐火隔热材料硅酸铝浆料在燃烧室内外壁涂抹，待硅酸铝浆料凝固成型后在燃烧室外侧包裹一层硅酸铝镁毡板进行二次隔热。图2和图3给出了本例火灾燃烧试验平台的具体尺寸，图中双向箭头为相应的尺寸范围，单位是cm。

火灾燃烧系统采用稳定、可控的液化石油气燃烧系统。该系统由液化石油气、液化石油气罐、燃烧器、燃烧器控制器等部件组成。该系统具有工业级燃烧器和程序自动控制升温，本火灾热环境模拟子系统能够达到的最高温度为1300℃，最大升温速度约为250℃/min，同时，可以预设不同的温度一时间曲线。本火灾热环境模拟子系统能够较好的模拟隧道火灾升温速度快、达到的最高温度高的特点，同时，产生的温度场波动小，温度分布均匀，此外，整个升温过程由程序自动控制，操作简便、安全可靠、燃烧产物清洁。

该火灾试验平台具有两个功能：(一)火灾燃烧室可用于产生高温火灾，以及混凝土梁的温度测试；(二)非火灾燃烧室用于隔离高温火灾，以及混凝土梁在受火后温度传播的测试，以及内力分布测试。

2)自约束混凝土梁构件

本测试装置中采用标准自约束混凝土梁长120cm，宽35cm，高20cm，混凝土梁尺寸可以适当微调。在实施过程中采用了c25混凝土制作混凝土梁。根据测试目的及要求，以及火灾试验平台尺寸，自约束混凝土梁应平放在耐火砖上，达到耐火砖整体受力。自约束混凝土梁尺寸如图4所示。

在实际制作自约束混凝土梁过程中，先根据混凝土梁尺寸制作相应木质模具，根据测试目的将具体的测试元件预先放置到相应位置，浇筑混凝土，待养护28天后拆模，即制作完成素混凝土梁构件。然后，在混凝土梁四周用5mm厚钢板进行约束，钢板之间连续焊接以保证刚性约束。为保证钢板对混凝土梁构件足够强度的约束，在钢板外侧再用钢筋作为加强筋进行四周约束，钢筋与钢板以及钢筋间进行连续焊接，即制作完成了自约束混凝土梁。自约束混凝土梁上下两侧不用钢板和钢筋进行约束，使自约束混凝土梁具有上下两个方向的自由度。此外，在自约束混凝土梁长度方向的钢板上开有一定数量的孔，用于自约束混凝土梁在受火过程中变形的测量。图5给出了自约束混凝土结构件的示意图。

3)自约束混凝土梁温度和内力测量系统

本实施例自约束混凝土梁为20cm厚的c25素混凝土，温度测量系统采用量程0～1200℃热电偶，其耐高温，灵敏度高，稳定性好。在自约束混凝土梁长度方向布置7个温度测量断面，每个测点断面长度方向间隔20cm，4个断面布置于火灾燃烧室，3个断面布置于非火灾燃烧室。在每个测量断面宽度方向布置2列，每列宽度方向间隔10cm；高度方向布置4个测量点，混凝土梁上表面和下表面各布置1个测量点，中间每隔约7cm布置1个测量点，每个断面共计布置了8个温度测量点。火灾温度测量点通过热电偶连至数据采集仪进行动态测量。燃烧室内和混凝土内热电偶布置测点如图6和图7所示，图中点阵各点表示温度测试系统的热电偶布置位置，双向箭头及其数字为布置距离，单位：cm，字母为排序标示，如图6中a、b、c、d、e、f、g表示纵向竖直布置各列，图7中a1、a2表示横向竖直布置各列，a11表示具体的热电偶布置位是纵向竖直a列、横向竖直1列的第一层热电偶。

在自约束混凝土梁非火灾燃烧室一侧断面布置1个混凝土压力盒。在制作混凝土梁结构时，将土压力盒外周包裹一层硅酸铝浆料进行隔热处理，之后将其预埋到非火灾燃烧室一侧的端部，导线用硅酸铝镁毡料包裹从上侧引出接到应力数据采集仪进行压力测试。混凝土压力盒布置位置如图8所示。

本发明测试装置适用于火灾全过程中自约束混凝土梁内部温度及内力变化的测试，能够获得了混凝土结构在约束条件和火灾工况下混凝土内部温度和内力动态响应的各相应测试信息。通过该测试装置可以实现对混凝土结构内部在约束条件下动态响应的测试，从而避免了必须建造大型混凝土结构件进行测试，缩小了试验系统规模，对于大型混凝土结构件提出了一种新式的测试平台。

实施例二

火灾模式下自约束混凝土结构件动态响应测试装置的应用

本实例采用上述动态响应测试装置开展，测试前制备长×宽×高为120cm×35cm×20cm的具有自约束功能的混凝土结构件并置于燃烧平台，分别连接燃烧系统和数据采集系统，混凝土结构构件上测试元件热电偶及压力测试盒布置方式如图6、图7、图8，本例设定温度为1100～1200℃范围内，火灾燃烧持续时间为2h，测试数据持续时间为3h。测试开始前，进行系统数据初始化处理、采集，并设定本实例测试温度。待准备完成后，开始测试，测试过程中，电脑记录各数据采集仪所采集数据。整个测试结束后，将采集的温度数据及压力数据提取分析。

下面以燃烧室正上方和非燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部温度分布测试结果进行分析。图9和图10分别给出了燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部断面c1和c2的温度测试结果。从测试结果可以看出，混凝土结构件内部随着距火源距离的增大，温度也不断下降。其中混凝土结构件底部c14测试位温度曲线是图中曲线4，温度随着时间迅速上升，说明在火源燃烧开始后由于混凝土的爆裂使得混凝土结构件底部的温度传感器已暴露在火源中；第2点c13测试位温度曲线是图中曲线3，温度明显低于混凝土底部表面温度，且最高温度约为375℃；第3点c12和第4点c11测试位温度曲线是图中曲线2和曲线1，温度在上升到约100℃后基本保持不变，但第4点c11温度存在明显的滞后性。图10显示了与图9基本相一致的测试结果，说明在同一断面内混凝土结构件的温度分布规律是一致的。

图11和图12给出了非燃烧室正上方自约束混凝土结构件内部断面f1和f2的温度测试结果。从测试结果同样可以看出，混凝土结构件内部竖向分布表现出随着距火源距离的增大，温度也不断下降。其中最高温度出现在混凝土结构件底部，最高温度约为60℃，这主要是混凝土结构件内部热传导所致。

图13给出了自约束混凝土结构件端部压力盒的测试结果。从图中可以看出，经过初始一段时间端部压力逐渐升高，在135min时，断面压力达到最大值，约为3.65mpa，随后逐渐降低。