一种双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验装置及方法与流程

本发明属于结构抗火性能试验与检测技术领域，具体涉及一种双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验装置及方法。

背景技术：

双钢板-混凝土组合剪力墙将钢板墙和混凝土墙的优势结合在一起，在提高剪力墙抗震性能的同时，也增大结构的承载能力和刚度，因此在多高层建筑中具有广阔的应用前景。然而该类建筑物往往人员密集且财产集中，一旦发生火灾，极易造成结构破坏甚至倒塌，将会产生重大伤亡和经济损失。因此，对双钢板-混凝土组合剪力墙的抗火性能研究显得非常重要。

抗火试验是评定建筑构件耐火等级主要依据，即在规定的加载条件和受火工况等要求下，检测柱、梁、墙和板等构件的耐火性能，看在规定的时间内其承载能力、完整性和隔热性等是否满足要求。研究现有结构的抗火性能以及通过合理的设计来提高建筑结构、构件的耐火极限是当前建筑结构抗火领域研究的热点和难点。

双钢板-混凝土组合剪力墙属于承重垂直分割构件，当火灾发生时，其既要阻止火灾在防火分区之间蔓延，又要保持足够的承载能力，因此需对其进行持荷情况下的单面受火试验，以检验其承载能力和隔热性。目前国内外对于钢板组合剪力墙的抗火性能研究较少，现有的钢板组合剪力墙受火试验大多是小尺寸的模型试验，无法精确反应实际结构的抗火性能，因此研发一套合适的试验装置开展足尺的双钢板-混凝土组合剪力墙抗火性能试验，对双钢板-混凝土组合剪力墙研究和推广应用具有重要的意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验装置及方法，通过足尺模型的火灾试验，检测墙体的耐火极限并研究其在火灾下的受力性能，根据试验数据指导双钢板-混凝土组合剪力墙的抗火设计。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验装置，包括水平试验炉装置、加载装置、温度测量装置、位移采集装置、控制系统和数据采集系统；

所述水平试验炉装置包括炉体、燃烧器、风机、烟道、天然气管道、风管、炉压计和高温摄像头；所述炉体由两片第一炉壁和两片第二炉壁围成，其上覆盖炉盖，所述炉壁和炉盖由外侧钢板和内侧陶瓷纤维棉组成；所述燃烧器安装在两片第一炉壁上，同时与天然气管道和风管相连，风管连接风机；所述烟道设置在炉膛底部，用耐火砖砌筑，埋置在地下，并通向室外烟囱；所述高温摄像头连接有水冷装置，安装在所述第一炉壁和所述第二炉壁上；所述炉压计安装在所述第一炉壁上；

所述加载装置包括水平反力架、分配梁、加载梁、千斤顶和承重刚架；所述水平反力架由两根纵向钢梁、第一横向钢梁、第二横向钢梁和四根加腋梁组成，安放于所述承重刚架上方；第一横向钢梁和第二横向钢梁两端通过高强螺栓与纵向钢梁相连；加腋梁通过高强螺栓分别与纵向钢梁和横向钢梁相连；所述纵向钢梁内侧翼缘上焊有拖板，拖板上开有两个长圆孔；第一横向钢梁的内侧翼缘上焊有千斤顶托座；

所述分配梁通过高强螺栓与所述加载梁相连；所述加载梁两端腹板外伸，外伸部分开有螺栓孔，通过螺栓连接在纵向钢梁的拖板上；

所述千斤顶内置力传感器，并和液压系统相连。所述千斤顶放置在所述第一横向钢梁的千斤顶托座上；

所述温度测量装置包括用于测量炉温的铠装k型热电偶、分别用于测量双钢板-混凝土组合剪力墙受火面钢板及内部混凝土温度的第一普通k型热电偶和第二普通k型热电偶，用于测量双钢板-混凝土组合剪力墙背火面温度的压簧式k型热电偶和非接触红外测温仪；

所述位移采集装置包括第一拉线式位移计、第二拉线式位移计、第一位移计安装架和第二位移计安装架；所述第一拉线式位移计和第二拉线式位移计分别安装在第一位移计安装架和第二位移计安装架上；所述第一位移计安装架和第二位移计安装架分别放置在所述纵向钢梁上和地面上；

所述数据采集系统通过布置在各测点的热电偶、炉压计、位移计和力传感器分别采集温度、炉压、位移和力数据；所述控制系统通过设备内置元件控制千斤顶、燃烧器和风机；

优选的，所述承重刚架由一根顶梁、两根立柱和两根地梁组成，顶梁两端通过高强螺栓连接在立柱上，立柱焊接在地梁上；所述承重刚架与所述炉体同高，并放置在所述炉体的两端。

优选的，所述纵向钢梁、横向钢梁、分配梁和加载梁的腹板中心在一个水平面上，双钢板-混凝土组合剪力墙通过高强螺栓安装在加载梁和第二横向钢梁之间。

优选的，所述第一位移计安装架由两榀横向刚架和一根纵向钢管组成；所述横向刚架由立杆和横杆组成，横杆两端焊接在立杆顶端，每根立杆下端焊接在一块方钢板上；所述纵向钢管两端点焊在所述横杆中部；所述第二位移计安装架由一根方钢管和一根短h型钢组成，方钢管下端焊接在所述短h型钢腹板上。

一种利用上述装置进行双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验的方法，包括以下步骤：

1）购置长度与双钢板-混凝土组合剪力墙中混凝土厚度相同的陶瓷板，在陶瓷板长度方向的1/4、1/2、3/4长度处居中钻出小孔；截取3根第二普通k型热电偶，将每根热电偶的第一偶丝从陶瓷板的一个小孔穿过，并与该热电偶的第二偶丝焊接一块，制成热电偶预埋件；

2）制作双钢板-混凝土组合剪力墙的钢结构部分，在各温度测点的背火面钢板上开第一圆孔，将切割出的圆钢片取走，并在圆钢片中心开第二圆孔；在第一圆孔对应的受火面钢板的内侧焊接短钢管，短钢管和第一圆孔保持同心；将长度比双钢板-混凝土组合剪力墙的厚度大50mm的钢管插入第一圆孔，并套在短钢管上顶紧受火面钢板内侧；

3）往双钢板-混凝土组合剪力墙的双钢板间浇筑混凝土，待混凝土初凝后，将钢管从双钢板-混凝土组合剪力墙上抽出，在留下的孔洞内放入热电偶预埋件，并用和已浇筑混凝土相同型号的水泥砂浆将孔洞填实，待水泥砂浆初凝后，在第一圆孔内放入圆钢片，将热电偶线从第二圆孔穿出，将圆钢片周边与背火面钢板焊接；在受火面和背火面钢板各温度测点上分别点焊第一螺母和第二螺母；

4）将浇筑完成后的双钢板-混凝土组合剪力墙试件在自然环境下养护60天以上，养护期间避免淋雨；

5）将两榀承重刚架分别放置在炉体两端的地面上，并与炉体的第二炉壁平行；将水平反力架放置在承重刚架上，水平反力架的纵向钢梁与承重刚架的顶梁垂直；

6）用螺栓将加载梁安装在纵向钢梁上；通过高强螺栓将分配梁固定在加载梁上；

7）用高强螺栓将双钢板-混凝土组合剪力墙试件的顶板和底板分别固定在加载梁和第二横向钢梁上，试件受火面朝下直接面对炉膛；

8）用陶瓷纤维棉将双钢板-混凝土组合剪力墙试件的顶板、底板、高强螺栓以及纵向钢梁、加载梁和第二横向钢梁面向炉膛的一侧严密包裹；

9）用电钻在双钢板-混凝土组合剪力墙试件的背火面钢板上钻出若干小孔；并在背火面钢板上各平面外位移测点处焊上第一短钢筋；

10）将测量双钢板-混凝土组合剪力墙试件受火面钢板的第一普通k型热电偶丝穿入陶瓷管，并将热电偶丝一端和螺杆一起拧入受火面钢板上的第一螺母，将热电偶丝的另一端拉出炉膛接入数据采集系统；

11）将压簧式k型热电偶压入背火面钢板上的第二螺母，将铠装k型热电偶插入第一炉壁；将所有的热电偶编号并接入数据采集系统；

12）将连有液压系统的千斤顶放置在第一横向钢梁的千斤顶托座上，并将千斤顶柱塞的中心对准分配梁的中心；

13）将炉盖遮盖在双钢板-混凝土组合剪力墙试件与纵向钢梁之间，并将有缝隙的地方用陶瓷纤维棉进行堵塞；

14）将第一位移计安装架放置在水平反力架的纵向钢梁上，将测量平面外位移的第一拉线式位移计固定在第一位移计安装架的纵向钢管上，第一拉线式位移计的拉线通过耐高温钢丝连接在第一短钢筋上，把第一拉线式位移计的信号线接入数据采集系统；

15）在加载梁和第二横向钢梁远离炉膛的一侧翼缘上焊接第二短钢筋；将第二位移计安装架放置在地面上，将测量平面内位移的第二拉线式位移计固定在第二位移计安装架的方钢管上，把第二拉线式位移计的拉线连接在第二短钢筋上，把第二拉线式位移计的信号线接入数据采集系统；

16）打开数据采集系统和控制系统，查看接线是否准确，并设定火灾试验升温曲线；

17）启动液压液系统通过千斤顶对双钢板-混凝土组合剪力墙试件预加载，并同步启动数据采集系统采集位移和温度；保持荷载恒定5min无异常后卸载；将数据采集系统清零后重新开始采集，再次启动液压液系统加载到预定荷载，保持荷载恒定15min；

18）打开高温摄像头；操纵控制系统启动风机和燃烧器，控制系统自动通过调节风量和天然气量保证炉温和设定火灾试验升温曲线一致，同时炉压不超过设定值，并自动控制液压液系统使千斤顶的压力保持不变；

19）试验过程中，观察并记录钢板表面的溢水情况、试件局部及整体变形情况；及时清理钢板表面的积水；每隔5分钟用非接触红外测温仪测量试件背火面钢板的温度；

20）试验结束后，取出试件，仔细观察试件受火面的破坏现象。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一套能够较好地进行足尺双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验的试验装置和试验方法，装置设计合理，针对性强、使用方便，试验效率高。通过足尺火灾试验可准确获得墙体的耐火极限和力学响应规律，据此可以进一步深入研究其在火灾下的受力机理，为提出双钢板-混凝土组合剪力墙的抗火设计方法提供可靠依据。

附图说明

图1为本发明试验装置的俯视图；

图2为本发明试验装置的正视图；

图3为本发明的水平反力架、分配梁、加载梁、千斤顶及试件连接示意图；

图4为本发明所述炉体的俯视图；

图5为本发明的加载梁与纵向钢梁连接示意图；

图6为图4的a-a剖面示意图。

附图标记列表：

1-水平试验炉装置；11-炉体；111-第一炉壁；112-第二炉壁；113-炉盖；12-燃烧器；13-风机；14-烟道；15-天然气管道；16-风管；17-炉压计；18-高温摄像头；2-加载装置；21-水平反力架；211-纵向钢梁；212-第一横向钢梁；213-第二横向钢梁；214-加腋梁；215-拖板；216-千斤顶托座；22-分配梁；23-加载梁；24-千斤顶；241-液压系统；25-承重刚架；3-温度测量装置；31-铠装k型热电偶；32-压簧式k型热电偶；4-位移采集装置；41-第一拉线式位移计；42-第二拉线式位移计；43-第一位移计安装架；44-第二位移计安装架；5-控制系统；6-双钢板-混凝土组合剪力墙试件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图所示，本实施例的双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验装置，包括水平试验炉装置1、加载装置2、温度测量装置3、位移采集装置4、数据采集系统和控制系统5；

所述水平试验炉装置1由炉体11、燃烧器12、风机13、烟道14、天然气管道15、风管16、炉压计17和高温摄像头18组成；炉体11由两片第一炉壁111和两片第二炉壁112围成，其上覆盖炉盖113，第一炉壁111、第二炉壁112和炉盖113由外侧钢板和内侧陶瓷纤维棉组成，厚度为400mm；燃烧器12安装在两片第一炉壁111上，并分别与天然气管道15和风管16相连；烟道14设置在炉膛底部，用耐火砖砌筑，埋置在地下，并通向室外烟囱；高温摄像头18连接有水冷装置，安装在第一炉壁111和第二炉壁112上；炉压计17安装在第一炉壁111上；

加载装置2包括水平反力架21、分配梁22、加载梁23、千斤顶24和承重刚架25；水平反力架21由两根纵向钢梁211、第一横向钢梁212、第二横向钢梁213和四根加腋梁214组成，他们的截面均为焊接h型钢，钢材材质为q345b；纵向钢梁211的截面高和宽均为600mm，第一横向钢梁212和第二横向钢梁213的截面高和宽分别为800mm和600mm，加腋梁214的截面高和宽均为300mm；水平反力架21安放于承重刚架25上方；第一横向钢梁212和第二横向钢梁213两端焊有端板，通过高强螺栓与纵向钢梁211相连；加腋梁214两端亦焊有端板，通过高强螺栓分别与纵向钢梁211和第一横向钢梁212、第二横向钢梁213相连；纵向钢梁211内侧翼缘上焊有拖板215，拖板上开有两个长和宽分别为150mm和32mm的长圆孔；第一横向钢梁212的内侧翼缘上焊有千斤顶托座216；纵向钢梁211、第一横向钢梁212和第二横向钢梁213受力较大处的上下翼缘间焊有加劲肋，用于增强局部承载能力。

分配梁22和加载梁23的截面亦为焊接h型钢，钢材材质为q345b；分配梁22的截面高和宽均为400mm，加载梁23的截面高和宽均为500mm；分配梁22通过高强螺栓与加载梁23相连；加载梁23两端腹板外伸，外伸部分开有螺栓孔，通过螺栓连接在纵向钢梁211的拖板215上；

千斤顶24内置力传感器，并和液压系统241相连。千斤顶24放置在第一横向钢梁212的千斤顶托座216上；

温度测量装置3包括用于测量炉温的铠装k型热电偶31、分别用于测量双钢板-混凝土组合剪力墙受火面钢板及内部混凝土温度的第一普通k型热电偶和第二普通k型热电偶，用于测量双钢板-混凝土组合剪力墙背火面温度的压簧式k型热电偶32和非接触红外测温仪；

位移采集装置4包括第一拉线式位移计41、第二拉线式位移计42、第一位移计安装架43和第二位移计安装架44；第一拉线式位移计41和第二拉线式位移计42分别安装在第一位移计安装架43和第二位移计安装架44上；第一位移计安装架43和第二位移计安装架44分别放置在纵向钢梁211上和地面上；

数据采集系统通过布置在各测点的热电偶、炉压计、位移计和力传感器分别采集温度、炉压、位移和力数据；控制系统5通过设备内置元件控制千斤顶24、燃烧器12和风机13；

承重刚架25由一根顶梁、两根立柱和两根地梁组成；顶梁、立柱和地梁均为焊接h型钢，钢材材质为q345b；顶梁的截面高和宽分别为500mm和300mm，立柱和地梁的截面高和宽均为400mm；顶梁两端焊有端板，通过高强螺栓连接在立柱上，立柱焊接在地梁上；承重刚架25与炉体11同高，并放置在炉体11的两端；

纵向钢梁211、第一横向钢梁212、第二横向钢梁213、分配梁22和加载梁23的腹板中心在一个水平面上，双钢板-混凝土组合剪力墙试件6两端焊有端板，通过高强螺栓安装在加载梁23和第二横向钢梁213之间；

第一位移计安装架43由两榀横向刚架和一根纵向钢管组成；横向刚架由立杆和横杆组成，横杆两端焊接在立杆顶端，每根立杆下端焊接在一块方钢板上；纵向钢管两端点焊在横杆中部；第二位移计安装架44由一根方钢管和一根短h型钢组成，方钢管下端焊接在短h型钢腹板上；

利用上述装置进行双钢板-混凝土组合剪力墙单面受火试验的方法，通过以下步骤实现：

第一步，购置宽度为35mm、厚度为5mm、长度与双钢板-混凝土组合剪力墙试件6中混凝土厚度相同的陶瓷板，在陶瓷板长度方向的1/4、1/2、3/4长度处居中钻出直径为5mm的小孔；截取3根长度为500mm、偶丝直径为0.8mm的第二普通k型热电偶，将每根热电偶的第一偶丝从陶瓷板的一个小孔穿过，并与该热电偶的第二偶丝焊接一块，制成热电偶预埋件；

第二步，制作双钢板-混凝土组合剪力墙试件6的钢结构部分，在各温度测点的背火面钢板上开直径为54mm的第一圆孔，将切割出的圆钢片取走，并在圆钢片中心开直径为20mm的第二圆孔；在第一圆孔对应的受火面钢板的内侧焊接直径为42mm、壁厚为2.5mm、长度为30mm的短钢管，短钢管和第一圆孔保持同心；将直径为50mm、壁厚为3mm、长度比双钢板-混凝土组合剪力墙试件6的厚度大50mm的钢管插入第一圆孔，并套在短钢管上顶紧受火面钢板内侧；

第三步，往双钢板-混凝土组合剪力墙试件6的双钢板间浇筑混凝土，待混凝土初凝后，将钢管从双钢板-混凝土组合剪力墙上抽出，在留下的孔洞内放入热电偶预埋件，并用和已浇筑混凝土相同型号的水泥砂浆将孔洞填实，待水泥砂浆初凝后，在第一圆孔内放入圆钢片，将热电偶线从第二圆孔穿出，将圆钢片周边与背火面钢板焊接；在受火面和背火面钢板各温度测点上分别点焊第一螺母和第二螺母；

第四步，将浇筑完成后的双钢板-混凝土组合剪力墙试件6在自然环境下养护60天以上，养护期间避免淋雨；

第五步，将两榀承重刚架25分别放置在炉体11两端的地面上，并与炉体11的第二炉壁112平行；将水平反力架21放置在承重刚架25上，水平反力架21的纵向钢梁211与承重刚架25的顶梁垂直；

第六步，用螺栓将加载梁23安装在纵向钢梁211上；通过高强螺栓将分配梁22固定在加载梁23上；

第七步，用高强螺栓将双钢板-混凝土组合剪力墙试件6的顶板和底板分别固定在加载梁23和第二横向钢梁213上，受火面朝下直接面对炉膛；

第八步，用陶瓷纤维棉将双钢板-混凝土组合剪力墙试件6的顶板、底板、高强螺栓，以及纵向钢梁211、加载梁23和第二横向钢梁213面向炉膛的一侧严密包裹；

第九步，用电钻在双钢板-混凝土组合剪力墙试件6的背火面钢板上钻出若干小孔，用于释放水蒸气；并在背火面钢板上各平面外位移测点处焊上第一短钢筋；

第十步，将测量双钢板-混凝土组合剪力墙试件6受火面钢板的第一普通k型热电偶丝穿入陶瓷管，并将热电偶丝一端和螺杆一起拧入受火面钢板上的第一螺母，将热电偶丝的另一端拉出炉膛接入数据采集系统；

第十一步，将压簧式k型热电偶32压入背火面钢板上的第二螺母，将铠装k型热电偶31插入第一炉壁；将所有的热电偶编号并接入数据采集系统；

第十二步，将连有液压系统241的千斤顶24放置在第一横向钢梁212的千斤顶托座216上，并将千斤顶24柱塞的中心对准分配梁22的中心；

第十三步，将炉盖遮盖在双钢板-混凝土组合剪力墙试件与纵向钢梁之间，并将有缝隙的地方用陶瓷纤维棉进行堵塞；

第十四步，将第一位移计安装架43放置在水平反力架21的纵向钢梁211上，将测量平面外位移的第一拉线式位移计41固定在第一位移计安装架43的纵向钢管上，第一拉线式位移计41的拉线通过耐高温钢丝连接在第一短钢筋上，把第一拉线式位移计41的信号线接入数据采集系统；

第十五步，在加载梁23和第二横向钢梁213远离炉膛的一侧翼缘上焊接第二短钢筋；将第二位移计安装架44放置在地面上，将测量平面内位移的第二拉线式位移计42固定在第二位移计安装架44的方钢管上，把第二拉线式位移计42的拉线连接在第二短钢筋上，把第二拉线式位移计42的信号线接入数据采集系统；

第十六步，打开数据采集系统和控制系统5，查看接线是否准确，并设定火灾试验升温曲线；

第十七步，启动液压液系统241通过千斤顶24对双钢板-混凝土组合剪力墙试件6预加载，并同步启动数据采集系统采集位移和温度；保持荷载恒定5min无异常后卸载；将数据采集系统清零后重新开始采集，再次启动液压液系统241加载到预定荷载，保持荷载恒定15min；

第十八步，打开高温摄像头18，拍摄受火面钢板的变形情况；操纵控制系统5启动风机13和燃烧器12，控制系统5自动通过调节风量和天然气量保证炉温和设定火灾试验升温曲线一致，同时炉压不超过设定值，并自动控制液压液系统241使千斤顶24的压力保持不变；

第十九步，试验过程中，观察并记录钢板表面的溢水情况、试件局部及整体变形情况；及时用拖把清理钢板表面的积水；每隔5分钟用非接触红外测温仪测量试件背火面钢板的温度；

第二十步，试验结束后，取出试件，仔细观察并记录试件受火面的破坏现象。

本发明通过足尺火灾试验可准确获得墙体的耐火极限和力学响应规律，据此可以进一步深入研究其在火灾下的受力机理，为提出双钢板-混凝土组合剪力墙的抗火设计方法提供可靠依据。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。