模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置及方法与流程

本发明涉及混凝土模拟试验技术领域，尤其是一种用于模拟动静载荷条件下以及火灾工况下的混凝土喷层力学性质的装置，以及利用该装置进行试验的方法。

背景技术：

混凝土结构在火灾下的力学性能是目前混凝土力学性质研究的重要问题，混凝土涉及大部分的土建结构。然而目前对于混凝土喷层结构的相关试验设备较少，为研究混凝土喷层结构在火灾工况下的内部温度及力学性能变化，以及混凝土的支护效果和安全性，需要设计相关的试验设备。现有的混凝土试验设备只能研究混凝土在火灾后的力学性能，包括火灾后的混凝土抗压强度、抗弯强度、应力-应变曲线等，但对于高温作用下混凝土变形破坏的整个过程中，混凝土喷层结构的力学性能的研究还很不足；另外现有的混凝土构件耐火实验设备庞大，需要投入大量的人力物力；测试混凝土内部结构应力的传感器通常无法承受火灾的高温，增加了混凝土构件在受火过程中的内部温度变化及内部应力变化的研究的困难，因此为研究混凝土在火灾工况下的动静载荷条件对其力学性能的影响，需要设计相应的混凝土试验设备。

技术实现要素：

为解决混凝土喷层力学性能在火灾情况下的变化研究困难的技术问题，本发明提供了一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置及方法，具体技术方案如下。

一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置，包括火灾模拟系统、应力加载系统、冷却系统和监测系统，火灾模拟系统包括防火墙、移动支架、燃烧器和温度控制器；应力加载系统包括三相应力加载装置和支撑球；冷却系统包括水泵、散热器和补偿水桶；混凝土喷层构件设置在防火墙上方，防火墙上设置有进气通道和排烟通道；移动支架设置在防火墙之间，燃烧器设置在移动支架上，温度控制器和燃烧器相连；三相应力加载装置的三个压头分别压在混凝土喷层构件上，混凝土喷层构件和防火墙之间设置有支撑球；散热器和三相应力加载装置的三个压头相连。

优选的是，燃烧器设置有多个喷火孔，燃烧器上方设置有盖板；防火墙上设置有多个进气通道和排烟通道，排烟通道设置在进气通道的上层。

优选的是，监测系统包括数据处理器，数据处理器接收并记录热电偶和应力监测装置的监测数据；混凝土喷层构件内部设置有热电偶，压头上设置有应力监测装置。

进一步优选的是，热电偶呈层状布置，热点偶在层内呈网格状均匀布置，混凝土喷层构件内每隔10～20cm的厚度布置一层热电偶；热电偶在层内的间距为15～25cm。

优选的是，三相应力加载装置包括上压头、左压头和右压头，上压头和混凝土喷层构件之间设置有支撑球。

一种模拟火灾工况下的混凝土喷层力学性质的方法，利用上述的一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置，步骤包括：

a.制作混凝土喷层构件，具体包括制作混凝土，铺设热电偶，制作标准混凝土喷层构件，设置应力监测装置；

b.放置混凝土喷层构件至防火墙上，调整三相应力加载装置压头的位置；

c.通过温度控制器打开燃烧器，同时利用移动支架调整燃烧器的位置；同时打开冷却系统对三相应力加载装置进行降温；

d.通过三相应力加载装置对混凝土喷层构件进行加压，同时通过监测系统记录并分析混凝土喷层构件的温度变化和应力情况。

优选的是，混凝土喷层构件的尺寸具体为长为140cm、宽为70cm、高为20cm；温度控制器控制的温度范围为0～1000℃。

优选的是，步骤c中利用移动支架调整燃烧器的位置包括：移动支架垂直移动调整燃烧器和混凝土喷层构件的距离；或者移动支架水平移动调节燃烧器对混凝土喷层构件的加热位置；或者固定移动支架保持燃烧器加热位置不变。

优选的是，步骤d中通过三相应力加载装置对混凝土喷层构件进行加压包括：左压头和右压头施加稳定的压力；或者左压头和右压头逐渐增大压力；或者左压头和右压头施加稳定的压力，上压头施加稳定的压力；或者左压头和右压头逐渐增大压力，上压头逐渐增大压力。

本发明的有益效果包括：

(1)模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置，利用火灾模拟系统模拟火灾工况，通过应力加载系统调整混凝土喷层构件的应力，冷却系统调节应力加载系统温度，监测系统对混凝土喷层构件的温度、应力和应变进行监测并分析，从而为研究混凝土喷层力学性能在火灾情况下的变化提供了可靠的试验工具。

(2)火灾模拟系统的燃烧器上设置有喷火孔，保证升温均匀，方便温度控制；燃烧器上方设置有盖板从而方便控制加热位置；利用热电偶实现对混凝土喷层构件整体温度的监测，尤其是对热电偶的结构布置，方便更好的监测温度变化；利用三相应力加载装置压头上设置的应力监测装置实现应力的监测。

(3)模拟火灾工况下的混凝土喷层力学性质的方法，利用模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置，制作混凝土喷层构件，进行升温和加压操作，通过不同的操作实现不同应力加载条件，不同加热位置，不同加热温度，还具有操作方便，试验灵活等优点。

附图说明

图1是模拟试验装置结构示意图；

图2是防火墙剖面结构示意图；

图3是防火墙截面结构示意图；

图4是混凝土喷层构件结构示意图；

图5是混凝土喷层构件剖面结构示意图；

图6是混凝土喷层构件截面结构示意图；

图7是燃烧器结构示意图；

图8是温度控制曲线示意图；

图9是混凝土喷层构件相同温度下不同位置的应力分布曲线；

图中：1-火灾模拟系统；11-防火墙；111-进气通道；112-排烟通道；113-玻璃；12-移动支架；13-燃烧器；14-温度控制器；2-应力加载系统；21-三相应力加载装置；211-上压头；212-左压头；213-右压头；22-支撑球；3-冷却系统；31-散热器4-监测系统；41-热电偶；42-数据处理器；5-混凝土喷层构件。

具体实施方式

结合图1至图9所示，本发明提供的一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置及方法，具体实施方式如下。

实施例1

一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置结构具体包括火灾模拟系统1、应力加载系统2、冷却系统3和监测系统4，火灾模拟系统1模拟火灾工况，应力加载系统2调整混凝土喷层构件的应力，冷却系统3调节应力加载系统温度，监测系统4对混凝土喷层构件的温度、应力和应变进行监测并分析，而为研究混凝土喷层力学性能在火灾情况下的变化提供了可靠的试验工具。其中，如图1至图2所示，火灾模拟系统包括防火墙11、移动支架12、燃烧器13和温度控制器14；应力加载系统2包括三相应力加载装置21和支撑球22；冷却系统3包括水泵、散热器31和补偿水桶。如图3至图5所示，混凝土喷层构件5设置在防火墙11上方，防火墙11上设置有进气通道111和排烟通道112，防火墙11使用双层耐火砖堆砌而成，其中一个侧面使用耐高温的透明玻璃113，并采用耐火隔热材料在防火墙的内外壁涂抹。移动支架12设置在防火墙11之间，燃烧器13设置在移动支架12上，温度控制器14和燃烧器13相连，移动支架12竖杆使用伸缩杆上下移动，横杆采用丝杠机构水平移动。

三相应力加载装置21包括上压头211、左压头212和右压头213，上压头和混凝土喷层构件之间设置有支撑球22，支撑球22呈半球状，可拆卸安装，因此本装置可以进行三点弯曲试验。三相应力加载装置21的三个压头分别压在混凝土喷层构件上，混凝土喷层构件5和防火墙11之间设置有支撑球22，散热器31和三相应力加载装置21的三个压头相连，从而为压头和三相应力加载装置21降温，并保证设置在压头上的应力监测装置不会被高温损坏。

燃烧器13设置有多个喷火孔，燃烧器13上方设置有盖板，喷火孔保证加热均匀，盖板可以控制加热的面积，实现了温度的控制，更好的模拟火灾。燃烧器13使用稳定可控的液化石油气作为燃烧体，燃烧器13上设置有多个密集细小的喷火孔，以保证升温的均匀，整个升温过程由程序自动控制，最高温度可达1100℃，升温速度可达200℃/min，温度控制曲线如图8所示，具有操作简单、安全高效、燃烧产物清洁等优点。防火墙上设置有多个进气通道111和排烟通道112，排烟通道112设置在进气通道的上层，从而放便燃烧。

监测系统4包括数据处理器42，数据处理器接收并记录热电偶和应力监测装置的监测数据。混凝土喷层构件5内部设置有热电偶41，压头上设置有应力监测装置。热电偶41呈层状布置，热点偶41在层内呈网格状均匀布置，方便更好的监测温度变化，混凝土喷层构件5内每隔10～20cm的厚度布置一层热电偶41，热电偶41在层内的间距为15～25cm，通过热电偶41监测混凝土喷层构件各位置的温度。

一种模拟火灾工况下的混凝土喷层力学性质的方法，利用上述的一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置，步骤包括：

a.制作混凝土喷层构件5，具体包括制作混凝土，铺设热电偶41，制作标准混凝土喷层构件5，设置应力监测装置。混凝土喷层构件5的尺寸具体可以设计为长为140cm、宽为70cm、高为20cm，该尺寸条件下更适合室内试验并方便试验数据记录，在制作时先提前将热电偶41按预设形状组合固定，在混凝土未凝固之前插入混凝土中。

b.放置混凝土喷层构件5至防火墙上，调整三相应力加载装置21压头的位置；

c.通过温度控制器打开燃烧器13，同时利用移动支架调整燃烧器13的位置；温度控制器控制的温度范围为0～1000℃。与此同时打开冷却系统对三相应力加载装置21进行降温，防止升温过程中对三相应力加载装置或者应力监测装置造成损坏。

利用移动支架调整燃烧器的位置包括：移动支架垂直移动调整燃烧器和混凝土喷层构件的距离；或者移动支架水平移动调节燃烧器对混凝土喷层构件的加热位置；或者固定移动支架保持燃烧器加热位置不变。

d.通过三相应力加载装置对混凝土喷层构件进行加压，同时通过监测系统记录并分析混凝土喷层构件的温度变化和应力情况。

通过三相应力加载装置对混凝土喷层构件进行加压包括：左压头和右压头施加稳定的压力；或者左压头和右压头逐渐增大压力；或者左压头和右压头施加稳定的压力，上压头施加稳定的压力；或者左压头和右压头逐渐增大压力，上压头逐渐增大压力。

给方法通过不同的操作实现不同应力加载条件，不同加热位置，不同加热温度，还具有操作方便，试验灵活等优点。

实施例2

为进一步的说明本发明提供的模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置及方法，以相同温度下不同位置火源对混凝土喷层构件的温度和应力影响的测试为例对本发明作详细的说明。

一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置结构具体包括火灾模拟系统1、应力加载系统2、冷却系统3和监测系统4。其中，火灾模拟系统1包括防火墙11、移动支架12、燃烧器13和温度控制器14；应力加载系统2包括三相应力加载装置21和支撑球22；冷却系统3包括水泵、散热器31和补偿水桶。混凝土喷层构件5设置在防火墙11上方，移动支架12设置在防火墙11之间，燃烧器13设置在移动支架12上，温度控制器14和燃烧器13相连，移动支架12竖杆使用伸缩杆上下移动，横杆采用丝杠机构水平移动。三相应力加载装置21包括上压头211、左压头212和右压头213，上压头211和混凝土喷层构件5之间设置有支撑球22，支撑球22呈半球状。三相应力加载装置21的三个压头分别压在混凝土喷层构件5上，混凝土喷层构件5和防火墙11之间设置有支撑球22，散热器31和三相应力加载装置21的三个压头相连。

燃烧器13设置有多个喷火孔，燃烧器13上方设置有盖板。防火墙11上设置有多个进气通道111和排烟通道112，排烟通道112设置在进气通道的上层，其中一个侧面使用耐高温的透明玻璃113，防火墙11组成的整体尺寸具体为长为140cm、宽为70cm、高为70cm。监测系统4包括数据处理器，数据处理器42接收并记录热电偶和应力监测装置的监测数据。混凝土喷层构件5的尺寸具体可以设计为长为140cm、宽为70cm、高为20cm，混凝土喷层构件5内部设置有热电偶41，压头上设置有应力监测装置。热电偶41呈层状布置，热点偶41在层内呈网格状均匀布置，方便更好的监测温度变化。具体是热电偶41在混凝土喷层构件5中呈点阵分布，上下间距为10cm；左右间距为20cm；前后中部间距为20cm，前后最外层距与其相邻的一层的间距为15cm。

一种模拟火灾工况下的混凝土喷层力学性质的方法，利用上述的一种模拟动静载荷条件下混凝土喷层力学性质的装置，具体步骤包括：

a.制作混凝土喷层构件，具体包括制作混凝土，铺设热电偶，制作标准混凝土喷层构件，设置应力监测装置。混凝土喷层构件的尺寸具体可以设计为长为140cm、宽为70cm、高为20cm，在制作时先提前将热电偶按预设形状组合固定，在混凝土未凝固之前插入混凝土中，待混凝土完全凝固后使用。

b.放置混凝土喷层构件至防火墙上，调整三相应力加载装置压头的位置，压头压紧混凝土喷层构件，压头施加一定的压力。

c.通过温度控制器打开燃烧器，同时移动支架调整燃烧器的从混凝土喷层构件的一侧移动到另一侧，期间保持燃烧器的热源稳定。与此同时打开冷却系统对三相应力加载装置进行降温，防止升温过程中对三相应力加载装置或者应力监测装置造成损坏。

d.通过三相应力加载装置保持对混凝土喷层构件的压力，同时通过监测系统记录并分析混凝土喷层构件的温度变化和应力情况，以混凝土喷层构件最左侧为原点，得到相同高温下不同位置的应力变化曲线，如图9所示，对混凝土喷层构件的温度综合分析。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。