一种非四周受火后混凝土柱拟静力试验装置及其实现方法与流程

本发明涉及火灾后混凝土结构损伤评定技术领域，具体涉及一种可考虑多种非四周受火后混凝土柱的拟静力试验装置及其实现方法。

背景技术：

虽然火灾高温会对钢筋、混凝土的力学性能及二者的粘结锚固性能造成不同程度的损伤，但大多数钢筋混凝土结构经损伤评定、加固修复后还可以正常使用，从而发挥巨大的经济效益。对火灾后钢筋混凝土结构的残余力学性能进行科学、准确的评价，并据此制定受损结构的修复和加固方案，对确保火灾后修复结构的安全性、适用性和耐久性具有十分重要的意义。

目前火灾后混凝土柱的压弯承载性能、受剪承载性能、抗震性能方面的研究已取得一定的成果，但这些成果大多是针对四面受火情况下进行的。建筑结构中的混凝土柱受填充墙的影响，在火灾发生时，可能受到三面受火、邻面受火甚至单面受火等非四周受火方式，不同受火方式下混凝土柱横截面的过火温度场分布特性不一样，且水平荷载作用下不同受火方式后混凝土柱的受压区、剪压区混凝土的损伤程度可能存在较大差异，从而导致不同受火方式后混凝土柱的压弯承载性能、受剪承载性能、抗震性能等的损伤特性也不同。显然，受火方式对火灾后混凝土柱(含异形柱，下同)承载性能的损伤评定影响很大，非四周受火后混凝土柱的损伤评定不能简单套用现有的四周受火后混凝土柱损伤评定的研究成果。因此，研究非四周受火后混凝土柱的承载性能及其灾损特性就显得尤为重要，其研究成果对火灾后混凝土柱的损伤评定和加固设计具有重要指导意义。然而，目前有关不同受火方式后混凝土柱受剪承载性能和抗震性能方面的试验研究成果很少。

现有的火灾后混凝土柱拟静力试验装置及实现方法，普通存在以下问题：(1)试验装置难以进行非四周受火后混凝土柱的拟静力试验，现有的混凝土柱拟静力试验成果均是针对四周受火后情况，尚未见到不同受火方式后混凝土柱拟静力试验研究成果的报道。为考察高温下不同受火方式的影响，现有的有限试验均采用在试件表面粘贴覆盖若干层防火棉后放入炉膛内按四周受火方式进行火灾试验来近似模拟未受火面，这与真实火灾试验中未受火面的环境温度和热边界条件存在较大差异。(2)现有的火灾后混凝土柱式构件剩余承载性能试验，通常高温下未持荷或者高温下持荷但熄火后卸载、待试件冷却至常温后吊出炉膛再进行受火后承载性能试验，存在升降温全过程中试件的持荷和灾后承载性能试验中持荷不连续的问题。然而，实际建筑结构中的混凝土柱在火灾发生时和发生后承受的荷载均保持连续。高温下是否持荷，或者熄火后是否卸载，均会影响火灾后混凝土和钢筋的初始应力-应变状态，进而可能影响其灾后承载性能，特别是高温下持荷较大时，其影响程度比将加大。为较全面考察高温下持荷的影响，在明火试验、灾后混凝土柱的拟静力试验中保持竖向荷载的连续性是必要的。(3)现有的抗火试验装置周边未设置刚度足够大的反力墙，因此，无法安装水平拉压伺服加载装置，并对受火后混凝土柱直接进行拟静力试验，只能将试件吊出后运至抗震试验室进行拟静力试验。(4)拟静力试验时，试件的高度通常取水平荷载作用下框架柱反弯点至柱根部的距离加上地梁的高度。而且，火灾试验时需要将试件柱顶的扩大头露在炉膛空间的外部，以便施加竖向荷载。因此，受火后混凝土柱拟静力试验装置中明火加热炉体宜具有合适的炉膛高度，约在1500～2500mm之间较为合理。然而，目前常见的垂直构件耐火试验炉的炉膛高度为3000mm，不太适合用于拟静力试验的试件的火灾试验。

技术实现要素：

本发明提供了本发明的目的在于克服上述现有试验装置的缺点和不足之处，提供一种可靠的非四周受火后混凝土柱拟静力试验装置及其实现方法，以模拟真实火灾场景和水平荷载作用，测试非四周受火后混凝土柱的受剪承载性能和抗震性能并研究其损伤机理。

本发明的目的是通过下述方案实现的：

一种非四周受火后混凝土柱拟静力试验装置，它包括炉体、竖向反力架、水平反力墙、竖向荷载加载装置、水平拉压伺服加载装置、固定装置、基础平台、数据采集系统和控制中心，其中炉体、竖向反力架、水平反力墙和固定装置设于基础平台上；

竖向反力架包括两榀纵向刚架和架设于两榀纵向刚架之间的横向钢梁，炉体设置在竖向反力架内，所述炉体由三面固定炉壁、一面活动炉壁和炉盖围成，所述混凝土柱试件设于活动炉壁处并通过活动炉壁的配合使混凝土柱试件的至少一侧面于炉膛之内受火，所述炉盖上设有缺口以使所述混凝土柱试件顶端伸出；

所述混凝土柱试件底端通过所述固定装置固定于基础平台上，所述竖向荷载加载装置安装在所述横向钢梁底面以用于施加竖向载荷至所述混凝土柱试件顶端，所述水平拉压伺服加载装置安装在水平反力墙上以用于施加横向载荷至所述混凝土柱试件；

所述数据采集系统包括用于采集炉膛内气压的气压采集系统、用于采集炉膛和混凝土柱试件内部温度的温度采集系统、用于采集混凝土柱试件位移的位移采集系统、用于采集混凝土柱试件应变的应变采集系统、以及用于采集竖向荷载加载装置和水平拉压伺服加载装置荷载的荷载采集系统，所述数据采集系统采集的信息传送至控制中心。

优选的，所述炉体还包括天然气管路、排烟道、水循环管路、点火烧嘴和风机；天然气管路于所述三个固定炉壁外侧呈u形环绕并与市政天然气管道相连；排烟道砌于所述基础平台之上并设于三个固定炉壁的内侧，在拐角处穿出固定炉壁，经水循环管路后由外置的烟筒将烟气向外排出，排烟道上表面设有若干个排烟口；各个固定炉壁上分别安装风机和点火烧嘴，点火烧嘴受控于控制中心。

优选的，所述活动炉壁由两个一字形炉壁加上中间开口部分内利用砖块砌筑临时性填充墙组合而成，临时性填充墙内表面利用高温胶粘贴连续的防火棉，并用预埋的钼丝连接件固定；所述混凝土柱试件设于所述中间开口部分，通过预设受火状态砌筑所述临时性填充墙。

优选的，所述竖向反力架包括四根钢柱和两根纵向钢梁，四根钢柱固定于所述基础平台上并和两根纵向钢梁形成所述两榀纵向刚架，钢柱与纵向钢梁的连接端面上有2排连接孔，纵向钢梁可根据需要上下移动至合适位置后与钢柱连接；纵向钢梁的上下翼缘有2排连接孔，所述横向钢梁两端的上翼缘分别通过螺栓固定于纵向钢梁的下翼缘；横向钢梁位于所述炉体中间的正上方，并垂直于所述水平反力墙立面。

优选的，所述竖向荷载加载装置包括带球铰的千斤顶、水平滚动支座和压力传感器，带球铰千斤顶通过水平滚动支座悬挂于所述横向钢梁的下翼缘上，压力传感器设于带球铰千斤顶和所述混凝土柱试件顶面之间。

优选的，所述水平拉压伺服加载装置包括拉压伺服千斤顶、第一加载板、第二加载板、锚杆和锚栓；拉压伺服千斤顶固定于所述水平反力墙上，第一加载板和第二加载板分别固定在所述混凝土柱试件顶部的两端，锚杆穿过第一加载板和第二加载板与所述混凝土柱试件固定；第二加载板通过锚栓与拉压伺服千斤顶连接；拉压伺服千斤顶内置压力传感器和位移传感器。

优选的，所述固定装置包括2个固定块、2个钢梁、2个手动千斤顶、若干套螺栓杆和螺母；钢梁放置于所述混凝土柱试件地梁的上表面，螺栓杆穿过钢梁上预留的螺栓孔、通过螺母与预埋在基础平台上的地锚连接；固定块安装于所述混凝土柱试件地梁两端，每个固定块通过螺栓杆和螺母与预埋在基础平台上的地锚连接；2个手动千斤顶分别安装于固定块和所述混凝土柱试件地梁之间并顶紧所述混凝土柱试件端面。

优选的，所述气压采集系统、温度采集系统、位移采集系统、荷载采集系统、应变采集系统分别通过在测点处安装气压传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器、应变片进行测量。

一种基于上述非四周受火后混凝土柱拟静力试验的实现方法，包括以下步骤：

建造混凝土基础平台，浇筑前做好钢筋、型钢和地锚的预埋；建造混凝土水平反力墙，然后建造适合非四周受火后混凝土柱拟静力试验的炉体，安装竖向反力架、竖向荷载加载装置和水平拉压伺服加载装置；

设计制作混凝土柱试件，待养护至预定时间后，吊装混凝土柱试件，根据设定的受火方式砌筑临时填充墙并在内侧粘贴防火棉，炉膛内进行防火材料的铺设，盖上炉盖后，炉盖缺口处与混凝土柱试件的缝隙塞防火棉；

布置数据采集系统；

点火进行持荷混凝土柱非四周受火方式下火灾试验，熄火冷却后，移走炉盖、拆除临时性填充墙、移走活动炉壁以及防火材料，安装固定装置，利用竖向荷载加载装置和水平拉压伺服加载装置进行拟静力试验。

优选的，点火试验开始后，控制中心接收炉温和炉压信息并控制实时炉温按照设定升温曲线升温，所述数据采集系统通过温度、位移和压力传感器采集试验过程中所述混凝土柱试件的火灾响应参数。

优选的，在拟静力试验过程中，观测所述混凝土柱试件的裂缝宽度、发展过程和混凝土柱的破坏形态，采集试验过程施加的竖向力、水平力，以及关键部分的位移、应变等试验结果；所述水平拉压伺服加载装置进行单向推覆过程试验或低周反复加载试验。

优选的，所述混凝土柱试件为倒t形试件，顶部具有扩大头；所述竖向荷载加载装置施加的竖向力作用线通过所述试件顶部扩大头上表面的形心，所述水平拉压伺服加载装置施加的水平力作用线通过所述试件顶部扩大头侧面的形心。

本发明中：

(1)非四周受火混凝土柱拟静力试验装置的竖向反力架、水平反力墙和固定装置的基础均为基础平台，试验装置整体形成一个自平衡装置。基础平台上预埋有2排地锚，用于安装固定装置，实现混凝土柱底为固定端约束。火灾试验时在竖向荷载作用下混凝土柱试件的地梁与地面间不会发生滑移，因此，混凝土柱试件直接放置于基础平台上。拟静力试验时，利用固定装置约束混凝土柱试件地梁的上表面和两个侧面，柱试件根部为固定端。

(2)非四周受火后混凝土柱拟静力试验的实现包括试件的非四周受火的火灾试验、火灾后拟静力试验两个步骤，柱试件的形式为倒t形试件。为满足火灾试验时试件顶部伸出炉盖以便施加竖向荷载，试件设计时优先根据炉膛的高度适当调整试件地梁的高度，若出现炉膛高度不够的情况，也可在炉壁上方利用砖块砌筑临时性填充墙以增加炉膛高度。另外火灾试验时，需要对临时性填充墙和地锚、地梁等进行防火保护。当试件承受的竖向荷载较小或受火时间较短时，高温下是否持荷和卸载对灾后承载性能影响较小，高温下试件可以不施加竖向荷载或者点火前施加荷载、熄火后卸载。当试件承受的竖向荷载较大，或者受火时间较长时，高温下是否持荷和卸载可能对灾后承载性能影响较大，则从火灾试验开始至拟静力试验结束的全过程中，竖向荷载加载装置施加的轴力保持恒定。

(3)可利用计算机控制炉膛按iso834标准升温曲线或其他的设定升温曲线升温。炉体的三面炉壁固定，第四面炉壁根据混凝土柱的受火方式，由两个一字形活动炉壁加上中间约1m宽开口部分内利用砖块砌筑临时性填充墙组合而成。通过灵活布置活动炉壁并利用砖块砌筑少量的临时性填充墙，可实现混凝土柱试件三面、邻面、单面等多种非四周的受火方式。与活动炉壁相对的固定炉壁上安装有一个高温摄像头，用来监测火灾燃烧情况及试件外观情况。炉盖对应固定炉壁u形开口的中心处有800×800mm的缺口，供火灾试验时柱试件顶部从该缺口处伸出炉盖，以便在试件顶面利用竖向荷载加载装置施加荷载。

(4)可对试件同时施加竖向荷载和水平荷载，从而混凝土柱可连续进行火灾试验、灾后拟静力试验，而无需将试件从炉膛内吊出运至抗震试验室进行拟静力试验。竖向反力架的纵向钢梁的位置可以上、下调整，进而可将中间横向钢梁和竖向荷载加载装置调整至合适的高度。带球铰千斤顶通过水平滚动支座悬挂于横向钢梁的下翼缘上，这样火灾试验和拟静力试验时，竖向荷载的作用位置可随柱顶上表面形心的平移而水平移动，确保竖向荷载始终通过柱顶截面的形心。竖向荷载加载装置从点火试验开始至拟静力试验结束全过程中可连续施加恒定的轴力、无需卸载，这与实际建筑结构发生火灾时的情况一致。水平拉压伺服加载装置的安装高度可根据试件的高度进行调整，施加的水平力合力作用线通过柱顶扩大头侧面的形心，可对试件施加单向推覆荷载和低周水平反复荷载，分别用于混凝土柱试件的受剪性能试验和拟静力试验。

(5)火灾试验时通过在测点处安装气压传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器等分别用于监测炉膛气压、炉膛和试件内部测点的温度、试件顶部的竖向位移和试件非受火面的侧向位移、试件承受的竖向轴力。火灾后拟静力试验时，分别通过试件顶部的压力传感器、拉压伺服加载装置内置的压力传感器监测试件承受的竖向轴力、水平力，通过位移传感器监测试件顶部扩大头水平荷载作用点处的水平位移和平面外位移、地梁的水平位移和竖向位移，通过应变片量测混凝土表面关键部位的应变，利用裂缝宽度观测仪和钢尺测量裂缝的宽度和长度。各自的测量电信号和炉体内点火烧嘴的控制电信号可通过线路管道与炉体旁边控制中心连接，利用计算机可实现点火、升温过程和拟静力试验加载过程的自动控制。

本发明提供了一套能够较好地进行非四周受火后混凝土柱拟静力试验装置，以模拟真实火灾场景和水平荷载作用，可以用来测试混凝土柱在不同受火方式下温度场、耐火极限等火灾行为，以及灾后水平荷载作用下强度、延性、滞回耗能等剩余承载性能；测试非四周受火后混凝土柱的受剪承载性能和抗震性能并研究火灾高温对其承载性能的损伤机理，为火灾后混凝土结构的安全性鉴定和修复加固提供依据。本发明的有益效果有：本发明能较好地适用于非四周受火后混凝土柱的拟静力试验，能够较好地模拟不同受火方式的影响，从而更加科学地进行不同受火方式后混凝土柱受剪承载性能和抗震性能研究，为非四周受火后混凝土柱受剪承载性能和抗震性能的损伤评定提供可靠的试验数据。

附图说明

图1为本发明试验装置的俯视图。

图2为图1中的a-a剖面示意图。

图3为图2中a区域的局部放大示意图。

图4为混凝土柱不同受火方式实现的示意图，其中a为三面受火、b为邻面受火、c为单面受火、d为t型柱的一种受火方式。

图5为图4中炉体a-a立面示意图。

图6为炉盖的俯视图。

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：

结合图1～图6，本实施例的非四周受火后混凝土柱拟静力试验装置包括炉体1、竖向反力架2、水平反力墙3、竖向荷载加载装置4、水平拉压伺服加载装置5、固定装置6、基础平台7、数据采集系统和控制中心8。基础平台7作为炉体1、竖向反力架2、水平反力墙3、固定装置6的基础。竖向反力架2由四根钢柱21、两根纵向钢梁22、一根中间横向钢梁23组成。基础平台7上预埋有2排、每排18个地锚71，相邻地锚71的纵向间距600mm、横向间距200mm，用于安装固定装置6和倒t形混凝土柱试件9，实现拟静力试验时混凝土柱底为固定端约束。

炉体1包括炉壁11、炉盖12、天然气管路13、排烟道14、水循环管路、温度传感器15、点火烧嘴16、线路管道17、风机18和高清摄像头19。炉壁11由相对的两固定炉壁111、位于两固定炉壁111之间的固定炉壁112和活动炉壁围成。活动炉壁根据混凝土柱9的受火方式，由两个一字形活动炉壁113加上中间约1m宽开口部分内利用砖块砌筑临时性填充墙114组合而成，混凝土柱试件9设于所述中间开口部分，通过预设受火状态砌筑所述临时性填充墙114，可形成混凝土柱试件的三面、相邻两面、单面等多种非四周受火方式，参见图4所示。炉体1的长度3700mm，宽度3200mm，高度1600mm，炉壁厚度350mm。临时性填充墙114内表面利用高温胶粘贴连续的防火棉，并用预埋的钼丝连接件固定。三个固定炉壁的内侧设有排烟道14，排烟道14的宽度450mm，高度600mm。两个相对的固定炉壁111上每面安装有2个风机18和自动点火烧嘴16，第三个固定炉壁112上安装有3个风机18和自动点火烧嘴16、1个高温摄像头19。三个固定炉壁外侧u形环绕的天然气管路13经过一个减压阀后与市政天然气管道相连。排烟道14砌于基础平台7之上，排烟道14在拐角处穿出固定炉壁，经水循环管路后由外置的烟筒将烟气向外排出，排烟道14上表面设有若干个排烟口141。炉盖12对应固定炉壁u形开口的中心处有800×800mm的缺口121，参见图6所示，供火灾试验时，柱试件9顶部伸出炉盖12。温度传感器15(例如热电偶)设置在炉壁内侧靠近点火烧嘴16内侧。点火烧嘴16受控于控制中心8。

竖向反力架2的四根钢柱21固结于基础平台7上，钢柱21位置关于固定炉壁的中间竖轴对称，四根钢柱21和两根纵向钢梁22形成两榀纵向刚架。钢柱21与纵向钢梁22的连接端面上有2排连接孔，纵向钢梁22可根据需要上下移动至合适位置后与钢柱21固接。纵向钢梁22的上下翼缘有2排连接孔，中间横向钢梁23两端的上翼缘分别通过4根螺栓连接固定于纵向钢梁22的下翼缘。中间横梁23位于炉体1中间的正上方，并垂直于水平反力墙3立面。钢柱21、纵向钢梁22和横向钢梁23均设有连续分布的加劲肋。

如图2和图3所示，竖向荷载加载装置4由带球铰的千斤顶41、水平滚动支座42、压力传感器和钢板组成，带球铰千斤顶41通过水平滚动支座42悬挂于横向钢梁23的下翼缘上。带球铰千斤顶41和混凝土柱试件9顶面之间从上至下设有压力传感器和方形钢板。水平拉压伺服加载装置5包括拉压伺服千斤顶51、钢板52和第一连接件53、第一加载板54、第二加载板55、第二连接件56、锚杆57和锚栓58。拉压伺服千斤顶51通过钢板52和第一连接件53固定于水平反力墙3上。第一加载板54和第二加载板55分别固定在试件9顶部扩大头的两端。锚杆57穿过第一加载板54和第二加载板55与试件9扩大头固定连接。第二加载板55通过第二连接件56和锚栓58与拉压伺服千斤顶51连接。拉压伺服千斤顶51内置压力传感器和位移传感器。固定装置6包括2个固定块61、2个钢梁62、2个手动千斤顶63、若干套螺栓杆和螺母。钢梁62放置于混凝土试件9地梁的上表面，螺栓杆64穿过钢梁62上预留的2个螺栓孔、通过螺母与预埋在基础平台7上的地锚71连接，拧紧螺母65可压紧试件9的地梁。固定块61安装于距柱试件9地梁两端面约600mm处，每个固定块61对应地锚71的位置预留4个孔洞，通过4个螺栓杆和螺母固定于基础平台7上。2个手动千斤顶63安装于2个固定块61和试件9地梁的2个端面之间，并顶紧试件9的地梁端面。

数据采集系统包括炉膛内部测点的气压采集系统、炉膛内部和试件内部测点的温度采集系统、试件扩大头中心处水平位移等关键部位变形的采集系统、荷载采集系统。各自的测量电信号和炉体内点火烧嘴的控制电信号可通过线路管道里面的导线与炉体旁边控制中心8连接。控制中心8可对点火烧嘴16的自动点火、炉膛升温过程等进行自动控制。

本实施例实现方法按以下步骤实施：

(1)首先建造混凝土基础平台，浇筑前需要做好钢筋、型钢和地锚的预埋。

(2)建造混凝土水平反力墙，浇筑前需要做好钢筋，螺栓孔等预埋。

(3)建造适合非四周受火后混凝土柱拟静力试验的炉体。固定炉壁的内侧由耐火砖砌筑而成，耐火砖表面用高温胶粘贴纤维防火毡板，炉壁的外侧采用耐火钢板制作，炉壁内侧和外侧之间填充耐火纤维。炉盖主要采用耐火钢和纤维防火毡板制作，炉盖上方装有4个吊环，便于吊装炉盖。

(4)安装竖向反力架、竖向荷载加载装置和水平拉压伺服加载装置。

(5)根据试验目设计制作倒t形混凝土柱(含异形柱)试件。以图4中三面受火后混凝土柱拟静力试验为例，制作倒t形混凝土柱试件，试件总长度1880mm。混凝土柱身的截面尺寸300mm×300mm、对应的柱身长度为800mm，地梁宽度400mm，长度1100mm，高度800mm。扩大头截面宽度300mm、高度350mm，长度280mm。

(6)待试件养护至预定时间后，吊装倒t形混凝土柱试件，根据图4中三面受火方式砌筑临时填充墙114并在内侧粘贴防火棉。炉膛内的地锚周边铺满耐火砖，并在上表面铺2层纤维防火棉进行防火保护，试件地梁的暴露部分也覆盖耐火棉进行防火保护。盖上炉盖后，炉盖缺口处与试件的缝隙塞好防火棉，布置采集系统，利用竖向荷载加载装置施加轴力至恒定，轴压比为0.25。利用该试验装置点火进行持荷混凝土柱非四周受火方式下火灾试验，采集相关数据。

(7)熄火冷却后，移走炉盖、拆除临时性填充墙、移走活动炉壁和地梁上覆盖的防火棉以及周边铺满的耐火砖，安装固定装置防止地梁滑移。混凝土表面粘贴应变片、布置位移传感器。利用水平拉压伺服加载装置进行拟静力试验，观测破坏过程和形态，采集相关试验参数。从火灾试验开始至拟静力试验结束的全过程中，竖向荷载加载装置施加的轴力保持恒定。水平拉压伺服加载装置可根据需要按力控制或位移控制加载，可进行单向推覆过程试验，也可以进行低周反复加载试验。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种非四周受火后混凝土柱拟静力试验装置及其实现方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。