一種可提供構件軸向彈性約束的抗火試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種建筑結構抗火試驗領域，具體涉及一種可提供構件軸向彈性約束的抗火試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]自上世紀九十年代以來，結構抗火研宄開始從獨立構件進展到基于結構連續性的構件抗火性能的試驗與理論研宄。眾多研宄成果表明，由于結構的連續性，構件間的相互約束會產生兩方面影響，一方面對構件的軸向膨脹產生約束，降低構件的臨界溫度；另一方面，當構件屈曲后，約束將分擔構件喪失的承載力，表現為構件具有一定的屈曲后強度。例如，在大空間建筑火災場景中，由于煙氣溫度的非均勾分布和局部火焰福射，導致網架屋蓋結構非均勻升溫，將引起構件間的軸向溫度變形不相同，桿件間形成相互約束，從而產生附加溫度內力，使火災下整體結構中構件的力學反應區別于單獨構件的力學反應。
[0003]現行《建筑鋼結構防火技術規范》CECS 200:2006規定的抗火設計方法，將構件從整體結構剝離出來，以保證單個構件在火災下的耐火能力，來實現整體結構的火災安全。這種設計方法沒有考慮構件的約束效應，在實際工程中造成的后果是要么防火保護措施不夠，要么造成浪費。所以，研宄約束構件的抗火性能和破壞形式，具有非常重要的意義。
[0004]目前的國內外的抗火試驗中，一般由簡支H型鋼梁提供約束，但該種裝置存在兩個問題:1、H型鋼梁提供的約束剛度由鋼梁的截面特性得到，不易準確得到滿足試驗要求的約束剛度；2、H型鋼梁在跨中產生較小撓度時，就會產生塑性變形，在試驗過程中無法提供持續的彈性約束。這些問題導致試驗試件的長度較小，同時只能研宄屈曲前和屈曲時試件的力學反應，無法研宄構件屈曲后和降溫過程中的力學行為特性。因此發明一種新型的約束裝置，可方便而準確地提供試件軸向彈性約束剛度，完善對受約束構件火災中全過程力學反應研宄，對科學地實施約束構件抗火試驗具有重要的應用價值。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提出一種可提供構件軸向彈性約束的抗火試驗裝置及方法，利用這種裝置可研宄受軸向受約束構件、特別是大長細比軸向受約束構件，精確把控約束剛度，獲取受約束構件在受火屈曲前、屈曲、屈曲后、甚至降溫階段全過程的溫度、軸力和位移等數據，為研宄受約束構件在受火狀態下的力學特性、變形行為和破壞特征等奠定基礎。
[0006]本發明采用的技術方案為:一種可提供構件軸向彈性約束的抗火試驗裝置，包括試驗火爐、火爐頂部框架梁、反力架、液壓千斤頂、滑動梁、組合彈簧、輔助反力架、壓力傳感器、螺栓型滾輪軸承、槽鋼、加載柱、試件、試件支座一、試件支座二 ；
[0007]所述反力架包括反力架橫梁和反力架立柱，所述反力架橫梁固定在兩根反力架立柱之間，反力架立柱通過固定支座固定在試驗火爐的火爐頂部框架梁上；
[0008]所述液壓千斤頂固定在反力架橫梁內側，所述滑動梁的一側通過墊塊與液壓千斤頂連接，滑動梁的另一側通過壓力傳感器與加載柱連接，滑動梁的兩端通過滑動梁端板分別固定有螺栓型滾輪軸承，螺栓型滾輪軸承內設置有作為滑動梁的直線導軌的光圓鋼筋，光圓鋼筋焊接在作為滑動支座的槽鋼上，槽鋼固定在反力架立柱內側；
[0009]所述試件安裝設置在試驗火爐內，試件的一端通過試件支座一固定在反力架橫梁內側，試件的另一端通過試件支座二與加載柱連接；
[0010]所述輔助反力架包括輔助反力架支撐柱、輔助反力架橫梁和跨中組件，所述跨中組件的兩端分別連接有輔助反力架橫梁，輔助反力架橫梁固定在反力架立柱上，輔助反力架橫梁與反力架立柱之間安裝有輔助反力架支撐柱，所述加載柱穿過跨中組件，所述輔助反力架橫梁與滑動梁之間設置有組合彈簧。
[0011]作為優選，所述滑動梁上設有滑動梁加勁肋，所述槽鋼上設有槽鋼橫向加強板。
[0012]一種上述可提供構件軸向彈性約束的抗火試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟:
[0013](I)通過試驗所需約束剛度選定彈簧規格和組合個數，并制作彈簧套；
[0014](2)安裝反力架、輔助反力架、彈簧、液壓千斤頂和壓力傳感器，并在滑動梁跨中設置位移計，千斤頂緩慢加載，記錄加載荷載和滑動位移，得出組合剛度，并與理論計算得到的約束剛度比較，若試驗值與理論值差距較大，則需多次測量并取平均值，最終確定約束剛度；
[0015](3)釋放荷載，并重新加載，使滑動梁滑移一端距離，此時約束彈簧處于壓縮狀態；加載之前，需計算出試件的受火軸向最大穩膨脹量，以便使彈簧在試件膨脹階段仍處于受壓狀態，提供持續有效的約束力；
[0016](4)在試件上布置熱電偶和位移延伸計，安裝試件并將壓力傳感器與線路集成器相連；
[0017](5)液壓千斤頂再次加載，使加載柱頂端的壓力傳感器的數值達到預先設定的值；
[0018](6)密封試驗火爐，按設計的升溫曲線進行升溫，并記錄數據；
[0019](7)當試件達到預定的狀態時，熄火降溫，并卸載、停止數據記錄；當溫度降至常溫時，打開密封裝置，觀查試件變形、破壞特征，測量變形撓度。
[0020]由于標準壓縮彈簧的彈性系數精確，并具有較大的壓縮量程，所以，用不同數量及不同彈性剛度的彈簧可制備符合試驗要求的組合彈簧。這種組合彈簧用于約束構件受火試驗時，需在常溫下進行初壓縮，使彈簧產生符合要求的初始位移量，以保證約束構件在整個高溫歷程中，彈簧始終處于壓縮行程內。從而為試件提供精確有效的約束力。
[0021]在已有的約束試件受火試驗中，一般由簡支H型鋼梁提供約束，但是，H型鋼梁在跨中產生較小撓度時，就會發生塑性變形，無法在整個試驗歷程中對構件提供穩定的彈性約束。
[0022]使用標準彈簧及其配套構件組成約束裝置則完全不存在上述情況，可充分利用彈簧的彈性壓縮性能，為試驗試件提供精確、持續的彈性約束，而且，彈簧裝置拆裝方便，代換不同規格和數量的彈簧即可提供不同剛度的軸向約束。
[0023]有益效果:本發明裝置具有約束精確度高、拆裝方便、可操作性強、適用性廣等特點。
[0024](I)整個裝置均通過螺栓連接，拆裝快捷、方便。
[0025](2)充分利用水平構件試驗火爐，來研宄軸向約束構件，增加了火爐的利用率。
[0026](3)通過改變彈簧規格和數量能夠精確獲得不同的約束程度，同時通過簡單的試驗可檢驗組合彈簧的約束剛度，保證約束剛度足夠精確。
[0027](4)彈簧具有較大的壓縮變形能力，優勢頗多；1允許在試驗之前事先壓縮彈簧，用來保證試件在膨脹階段，彈簧仍可提供有效的約束力；2構件屈曲時，往往伴隨較大的軸向變形，從而使一般由約束H型鋼梁提供的約束力的鋼梁產生很大的跨中撓度變形，當梁的跨中變形超過一定值后，就會產生塑性變形，而無法為試件提供持續有效的約束剛度，基于這種情況，目前的約束試驗絕大多數只對較短長度的試件進行試驗研宄，或者只研宄到構件屈曲時就停止試驗，再者允許約束梁產生塑性變形，通過后期的有限元軟件處理，將這種塑性變形的影響祛除掉。而妥善利用彈簧具有較大壓縮變形的特性，則不存在上述情況。
[0028]該裝置可適應大長細比約束構件在膨脹和屈曲后階段軸向變形的需要，進而可獲取約束鋼管在整個受火過程中的變形行為、力學性能和破壞特征等數據，適應了現在對結構整體進行研宄的需求，并對優化結構抗火設計方法，和消防工作具有指導意義。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明抗火試驗裝置結構示意圖；
[0030]圖2是本發明軸向彈性約束裝置結構示意圖；
[0031]圖3是圖2中A點局部平面示意圖；
[0032]圖4是圖2中A點局部立面示意圖；
[0033]圖5是本發明滑動梁結構示意圖；
[0034]圖6是圖2中B點局部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0036]如圖1-6所示，一種可提供構件軸向彈性約束的抗火試驗裝置，包括試驗火爐1、火爐頂部框架梁2、反力架、液壓千斤頂5、滑動梁6、組合彈簧、輔助反力架、壓力傳感器11、螺栓型滾輪軸承12、槽鋼13、加載柱14、試件15、試件支座一 16、試件支座二 17 ；
[0037]所述