建筑构件耐火试验炉的研制和应用

建筑构件耐火试验炉的研制和应用王 帆1,2,3,吴 波1,2,张正先1,2,林洁梅1,2(1.华南理工大学建筑学院,广东广州,510640;2.亚热带建筑教育部重点实验室,广东广州 510640;3.广东省建筑科学研究院,广东广州 510550)摘 要:介绍了建筑构件耐火试验炉的研制思路、控制温度、压力的技术措施以及为满足构件力学试验所采用的约束条件模拟方法等。

关键词:建筑构件;耐火试验炉;温度曲线;约束条件中图分类号:X 924.4 文献标识码:A 文章编号:1002 4956(2007)03 0055 04Researc h and application of fire test f urnace for bu i di ng ele mentsWANG Fan1,2,3,WU Bo 1,2,Z HANG Zheng x ian 1,2,LI N Jie m e i1,2(1.A rch itecture Co llege o f South Ch i na U nivers it y of T echno l ogy ,G uangzhou 510640,China ;2.Sub trop i ca l A rch itecture K ey L abo rato ry o f Educati on M i n i stry ,G uangzhou 510640,Ch i na ;3.G uangdong A rchitecture ScienceA cade m e ,G uangzhou 510500,China)Ab stract :T he paper g i ves a deta il ed illu m ina te on the research o f F ire T est Furnace fo r Buil ding E le m ents ,t hetechn i ca lm easures fo r te m pe rature contro lli ng and pressure con tro lli ng ,constra i nt conditi on ,e tc .K ey w ords :buil d i ng ele m ents ;fi re test furnace ;te m perate curv e ;constra i nt conditi on收稿日期:2006 05 11 修改日期:2007 02 28作者简介:王帆(1971!),男,四川省成都市人,工学博士,在站博士后,讲师,主要研究方向:钢结构理论,结构抗火基金项目: 985工程 一期建设经费和 十五 211工程 建设经费资助的项目.在地震、海啸、洪涝、干旱等各种灾害中,火灾的发生频度高居各灾种之首。

近年来发生的诸多因火而导致的结构破坏事件使得结构耐火问题受到空前的重视,这些灾难包括 911 事件、2004年2月15日吉林市中百商厦特大火灾、2003年11月3日衡阳市衡州大厦特大火灾坍塌事故、2003年2月2日哈尔滨市天潭酒店特大火灾、2000年12月25日洛阳市东都商厦特大火灾等。

在我国经济快速持续发展,建筑业占国内GDP 份额不断增长的同时,关注因火灾引起的结构毁坏,研究结构耐火性能及火灾后结构损伤评估成了刻不容缓的大事。

建筑构件耐火试验是研究结构耐火性能的重要手段,这类试验一般采用耐火试验炉进行。

耐火试验炉提供一个人造的室内火灾温度场,配合以对试验构件施加的荷载及边界约束,并且在试验构件中布置测温热电偶,可用于研究构件内部温度场的发展过程以及构件在高温下的承载能力,从而为建筑构件抗火灾设计及火灾后结构的损伤评估与修复加固提供科学依据。

建筑构件耐火试验炉的研制内容主要由以下几点组成:炉型的确定,温度和压力的控制和加载系统和数据采集系统。

1 炉型的确定耐火试验炉的设计有两种不同的思路:一种是设计大型的多功能炉,满足各种不同类型构件的试验需要;另一种是根据不同的试验构件分别设计炉型,比如水平炉用于梁、板构件试验,柱炉用于柱式构件试验,墙炉用于墙、门、窗构件等。

总体而言,炉型选择是由经济条件、技术条件和场地条件等决定的。

炉膛尺寸应能适应一般的检测和试验要求。

1987年英国颁布的BS476、Part 20和1999年我国制订的∀建筑构件耐火试验方法#(GB /T 9978 1999)都对耐火试验构件的尺寸提出了要求,其中BS476、Part 20还对试件受火面到炉内壁的距离作了建议,由此可以确定炉膛的尺寸。

ISSN 1002-4956CN11-2034/T实 验 技 术 与 管 理Experi m entalT echnol ogy and M anage m ent第24卷 第3期 2007年3月Vo.l 24 N o .3 M ar .2007根据前述两个标准,耐火试验应采用足尺构件,如果试件大于试验炉所能容纳的尺寸,则该试件在炉内的尺寸不应小于下列规定:墙高3m 、宽3m ;梁跨度4m ;柱高3m;楼板、吊顶与屋顶长4m 、宽3m 。

另外,对于竖直放置的试件,其受火面到炉壁的距离应不小于0.6m ,同时不大于1.3m;对于水平放置的试件,其受火面到炉壁(底)的距离应不小于1m,同时不大于2m 。

由此可以初步确定所需要的炉膛尺寸。

对于竖直放置的墙式构件:炉膛宽3m 、深1.25m 、高3m;柱式构件:炉膛宽3m 、深3m 、高3m ;对于水平放置的梁式构件:炉膛长4m 、宽3m 、高1.5m;板式构件:炉膛长4m 、宽3m 、高1.5m 。

以华南理工大学结构耐火实验室的试验炉建造为例,最初设想建造一座可移动可拆装的多功能炉,炉壁采用耐火棉制成,且可拆成数片墙板模块,炉膛尺寸能根据不同的试件进行调节,可拼组成的最大炉膛尺寸长4m 、宽3m 、高3.3m 。

沿4.0m 长度方向可以设置两道隔板,使炉膛平面尺寸能够调整为长3m 、宽1.5m,长3m 、宽3m 以及长4m 、宽3m 等3种不同情况。

3.3m 高的炉壁沿高度方向可拆卸为上下两层,下层炉壁高度1.6m,可适用于梁、板等水平构件试验,将上层拼装好后炉壁高度可达3.3m,此高度适用于墙、柱、门等构件试验。

如此,一座多功能炉就能满足墙、柱、梁、板等构件的试验要求(图1)。

图1 多功能炉拼组设计过程中,发现由于许多具体条件的限制,要实现多功能炉的设计构想相当困难,所以决定针对水平构件和垂直构件分别设计两个试验炉。

图2所示为水平构件试验炉,炉膛长4m 、宽3m 、高1.5m,可用于梁、板、小型节点和框架构件的试验;图3所示为垂直构件试验炉,由 [ 形平面的固定模块、 ] 平面的轻质活动模块和图2 水平构件试验炉平面的钢框活动模块组成,同时炉壁上开有矩形洞口,进行节点试验时,梁端可由试验炉洞口伸出。

做墙构件试验时,将 [ 形平面的固定模块和平面的钢框活动模块组拼成长2.5m 、宽1.25m 、高3m 的受火空间;做柱或足尺节点构件试验时,将 [ 形平面的固定模块和 ] 平面的轻质活动模块组拼成长2.5m 、宽2.5m 、高3m的受火空间。

图3 垂直构件试验炉2 温度和压力的控制为了统一试验标准,耐火试验要求炉内升温曲线及压力完全符合国际I SO834标准和GB9978 88的要求。

升温规律应满足:T -T 0=345lg (8t +1),炉温允许偏差也有相应规定。

压力条件是要求试验开始5m i n 后,炉内达到15∃5Pa 的正压,10m in 后,达到17∃3Pa 。

实验得到的标准升温曲线和压力曲线如图4。

试验炉的温度和压力的控制系统和执行系统包括硬件和软件两部分:硬件部分有炉体、燃气管道、助燃空气管道、燃烧装置、温度与压力测量装56实 验 技 术 与 管 理图4 试验得到的升温曲线和压力曲线置、排烟风机、助燃风机、工控机、AD A M 4520转换模块、ADAM 4018输入模块、ADAM 4012输入模块、I /O 模板、D /A 模板、测温热电偶、炉内高温压力变送器、喷枪自动点火控制器、空气流量控制执行机构、燃气空气流量的比例阀、变频器等,其中主要硬件的功能如表1所示。

软件包括两套分别控制水平建筑构件耐火试验炉和垂直建筑构件耐火试验炉的控制程序。

水平建筑构件耐火试验炉包含8组燃烧装置,每组3个烧嘴,布置在两相对的长边墙上;垂直构件耐火试验炉包含10组燃烧装置,每组3个烧嘴,在四面墙的左侧各布置了上下各1组。

[ 形平面固定模块的两短边均布置了上下各1组烧嘴,供对墙、窗类型垂直建筑构件试验时使用。

表1 主要硬件功能主要硬件功能主要硬件功能ADAM 4018输入模块从测温热电偶获取温度信号,经AD A M 4520转换输入至计算机I/O 模板从自动点火控制器获取喷枪点火状态信号ADAM 4012输入模块从压力变送器获取压力信号,经AD A M 4520转换输入至计算机D /A 模板将计算机处理后的控制信号发送给空气流量控制执行机构ADAM 4520转换模块将RS -232接口标准转换为RS -485接口标准自动点火控制器自动点火、监测火焰、熄火报警等功能软件系统是利用组态王6.0开发的,控制原理是用A /D 转换模块采集温度和压力信号并输入到计算机,计算机对温度和压力信号进行处理,处理后输出处理信号,经过D /A 转换模块传送到执行组件,执行组件控制相应的参数改变从而实现对炉内温度及压力的控制。

本系统主要包括5个操作窗口,它们分别是监控主画面、设置温控曲线、压力趋势曲线、生成报表及报警窗口。

3 加载系统和数据采集系统GB /T 9978 1999对于试件的约束条件作了如下规定:梁按实际约束条件进行试验,通常情况按无约束条件进行试验;柱按实际约束条件进行试验;楼板、吊顶与屋顶按实际约束条件进行验证,通常情况按无约束条件进行试验。

按此规定,试验炉设计时只需要考虑柱试件的上下支座约束。

BS476、Part 20里对不同试件的约束构造提出了建议,包括承重墙、非承重墙、底端固接顶端铰接的柱、楼板和梁等构件的约束方式都有概念图。

经我们的设计实践,发现柱试件(包括节点试件)的上下支座约束条件较难模拟。

垂直构件耐火试验炉的约束条件一般包括固端和铰接两种方式。

柱试件下端支座的模拟方法如下:在炉膛下端预埋了两圈锚栓,还设置了抗剪键,需要模拟固端支座时,先将正反牙套筒与预埋锚栓连接,然后用螺栓将柱底板和正反牙套筒连接,这样就阻止了柱底的转动,柱底板和铸铁支座(下图中阴影部分)加工时表面打毛,它们之间的摩擦系数可以达到0.2,以此阻止柱底支座的平移。

需要模拟铰接支座时,将铸铁支座换成万向铰凸球和凹板,允许柱底万向转动,同时万向铰凸球卡在抗剪键上,该构造阻止了柱底支座的平动(图5、图6)。