适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉转让专利
申请号 : CN202010162160.1
文献号 : CN111351358B
文献日 : 2021-05-11
发明人 : 蒋彬辉 , 尹中原 , 范传刚
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:包括基座(1)、下炉体(3)、上炉体(4)、发热电阻丝、两个升降控制装置(5)、高频激光测距传感器(8)以及控制柜(9);
下炉体(3)包括相对设置的第一下炉体和第二下炉体,第一下炉体和第二下炉体可左右滑动地安装在基座(1)上,两者对合后形成下炉体(3);上炉体(4)包括第一上炉体和第二上炉体,第一上炉体和第二上炉体对合后形成上炉体(4);第一上炉体和第二上炉体的底端各自安装一组升降控制装置(5),用以分别控制第一上炉体沿第一下炉体上下滑动、以及第二上炉体沿第二下炉体上下滑动,同时两组升降控制装置(5)均可左右滑动地安装在基座(1)上;上炉体(4)的内顶壁表面及下炉体(3)的内侧壁表面均布设有发热电阻丝;对应于第一上炉体和第二上炉体相对合的位置,在第一上炉体和第二上炉体的顶部中间位置还分别开设有相对的凹槽,用以穿过试验三维框架结构的受火框架柱;
高频激光测距传感器(8)设置有若干个,用以向试验三维框架结构上部的非受火梁或板的下表面发射激光,以测量试验三维框架结构上部的非受火梁或板的下表面在受火框架柱发生屈曲时的竖向变形下降的距离及速度,并将所述距离及速度传输给控制柜(9);
控制柜(9)与升降控制装置(5)连接,用以根据所述距离及速度控制升降控制装置(5)驱动上炉体(4)沿下炉体(3)上下滑动,以实现与试验三维框架结构的竖向协同变形;
升降控制装置(5)包括支撑底板(5‑1)、铰接座(5‑2)、支撑臂(5‑3)、伸缩臂(5‑4)、螺纹调节横杆(5‑5)、步进电机(5‑6);两个升降控制装置(5)分别位于两个下炉体(3)的外侧;
所述铰接座(5‑2)包括上铰接座(5‑2‑1)和下铰接座(5‑2‑2),所述支撑臂(5‑3)包括左边侧上支撑臂(5‑3‑1)、左边侧下支撑臂(5‑3‑2)、右边侧上支撑臂(5‑3‑3)、右边侧下支撑臂(5‑3‑4),所述伸缩臂(5‑4)包括左内侧上伸缩臂(5‑4‑1)、左内侧下伸缩臂(5‑4‑2)、右内侧上伸缩臂(5‑4‑3)、右内侧下伸缩臂(5‑4‑4);
支撑底板(5‑1)底部两端分别设有凹槽(5‑1‑1),凹槽(5‑1‑1)内均设有第三滚轮,通过第三滚轮可左右滑动的安装在基座(1)的两道第一导轨(2)上,下铰接座(5‑2‑2)的下表面与支撑底板(5‑1)上部固定连接,上铰接座(5‑2‑1)上端与上炉体(4)的底部通过螺栓固定连接;
左边侧下支撑臂(5‑3‑2)、右边侧下支撑臂(5‑3‑4)、左内侧下伸缩臂(5‑4‑2)、右内侧下伸缩臂(5‑4‑4)的下端分别通过销轴连接在下铰接座(5‑2‑2)上;
左边侧上支撑臂(5‑3‑1)、右边侧上支撑臂(5‑3‑3)、左内侧上伸缩臂(5‑4‑1)、右内侧上伸缩臂(5‑4‑3)的上端分别通过销轴连接在上铰接座(5‑2‑1)下部,左边侧下支撑臂(5‑3‑2)的上端铰接左边侧上支撑臂(5‑3‑1)下端,右边侧下支撑臂(5‑3‑4)的上端铰接右边侧上支撑臂(5‑3‑3)下端,左内侧下伸缩臂(5‑4‑2)的上端铰接左内侧上伸缩臂(5‑4‑1)下端,右内侧下伸缩臂(5‑4‑4)的上端铰接右内侧上伸缩臂(5‑4‑3)下端;
上下左右各个杆件在平面内对称;
所述螺纹调节横杆(5‑5)水平依序横穿左边侧支撑臂(5‑3‑1、5‑3‑2)、左内侧伸缩臂(5‑4‑1、5‑4‑2)、右内侧伸缩臂(5‑4‑3、5‑4‑4)、右边侧支撑臂(5‑3‑3、5‑3‑4)中的铰接点,其右侧末端固接有步进电机(5‑6),其另一末端自由伸长在外侧,且左侧末端处与铰接点有螺纹连接;
控制柜(9)中设置有处理器,处理器分别与高频激光测距传感器(8)、步进电机(5‑6)连接,处理器用以获取高频激光测距传感器(8)测量出的试验三维框架结构上部的非受火梁或板下表面的竖向变形下降的距离及速度,并对前述距离及速度进行处理后转换为脉冲信号输出到步进电机(5‑6),并控制步进电机(5‑6)以一定的转速开始往一方向运行,进而带动螺纹调节横杆(5‑5)转动,从而驱动第一上炉体、第二上炉体下降,并使第一上炉体、第二上炉体的下降与试验三维框架结构的竖向变形下降同步。
2.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:若干高频激光测距传感器(8)均安装在试验三维框架结构上部的非受火梁或板下表面正下方的电阻炉的上表面,并垂直向试验三维框架结构上部的非受火部分梁或板下表面发射激光。
3.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:基座(1)上安装有第一导轨(2);
第一下炉体和第二下炉体的底部均安装有第一滚轮,第一下炉体和第二下炉体各自通过其底部的第一滚轮可左右滑动地安装第一导轨上;
支撑底板(5‑1)可左右滑动的安装在基座的第一导轨(2)上。
4.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:第一上炉体和第二上炉体的内侧均安装有第二滚轮,第一上炉体和第二上炉体各自通过其内侧安装的第二滚轮可上下滑动地安装在第二导轨(6)上。
5.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:第一上炉体、第二上炉体、第一下炉体以及第二下炉体内布设的发热电阻丝分别与不同的炉体开关连接。
6.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:在上炉体(4)、下炉体(3)的内表面均设置有保温材料。
7.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:第一下炉体与第一上炉体构成左侧炉体,第二下炉体与第二上炉体构成右侧炉体;
对应于第一上炉体和第二上炉体相对合的位置,在第一上炉体和第二上炉体的外侧壁上还安装有相对设置的两个插销(7),用以在左、右侧炉体对合后,通过两个插销(7)相互插合将左、右侧炉体连接在一起。
8.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:上炉体(4)和/或下炉体(3)内还设置有温度传感器;
温度传感器与控制柜(9)连接,用于测量上、下炉体内部的温度变化并传输至控制柜(9)。
9.根据权利要求1或8所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:控制柜(9)中还设置有显示设备,用以输出试验三维框架结构上部的非受火梁板下表面竖向变形下降的距离以及速度,和/或上、下炉体内部的温度变化。
10.根据权利要求1所述的适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉,其特征在于:所述伸缩臂的内外套筒在伸缩过程中产生摩擦力,上下伸缩臂存在夹角,通过优化伸缩臂与其外侧支撑臂要之间的杆件长度比、螺纹调节横杆(5‑5)与外侧支撑臂之间的杆件长度比以及伸缩臂内外套筒接触界面摩擦力系数这三个参数,实现炉体系统的最优的动力试验稳定性。
说明书 :
适用于三维框架结构火灾试验的高稳定性可升降电阻炉
技术领域
背景技术
发生火灾时,建筑室内空气半小时内可达到800~1000℃,因此建筑结构在火灾中极易受到
伤害。框架结构中,框架柱作为主要承重构件,其在火灾中的失效会可能会引起整个建筑的
倒塌,因此对框架柱抗火性能的研究具有十分重要的现实意义。框架柱在火灾下根据其约
束条件和荷载情况的不同会有不同的响应,有的为大变形响应,这类框架柱的抗火性能试
验就需要一种能适用于框架结构大变形的电阻炉。
(1)由于其高度是固定的,只能加热单一高度的试件;(2)只能适用于平面框架的火灾试验;
(3)保温装置挂在试件上,变形是被动的,有些试验构件可能不方便吊挂保温装置;(4)试件
结构大变形后,保温装置下沉,炉体上方出现较大空隙,热气会露出,电炉难以继续升温。
往往伴随有较大的速度和加速度。因此,需要一套能够控制上部炉体上下运动的升降装置。
发明内容
加了升降装置的面外稳定性和抗扭转稳定性,并通过升降控制装置使上炉体相对于下炉体
向下移动实现电阻炉与三维框架结构的协同变形效果。
力试验,支撑上部炉体的动力装置需要有可靠的动力稳定性,本发明公开的升降装置,机构
受力路径简单,在步进电机及螺杆机构控制下可精确适应上升下降微调需求,配套设置有
伸缩臂增加了升降装置的面外稳定性和抗扭转稳定性,此外,内外套筒式且呈夹角设计的
伸缩臂具有阻尼抗震(抗颤)效果,使得本发明具有更高的动力稳定性。
一上炉体和第二上炉体对合后形成上炉体;第一上炉体和第二上炉体的底端各自安装一组
升降控制装置,用以分别控制第一上炉体沿第一下炉体上下滑动、以及第二上炉体沿第二
下炉体上下滑动,同时两组升降控制装置均可左右滑动地安装在基座上;上炉体的内顶壁
表面及下炉体的内侧壁表面均布设有发热电阻丝;对应于第一上炉体和第二上炉体相对合
的位置,在第一上炉体和第二上炉体的顶部中间位置还分别开设有相对的凹槽,用以穿过
试验三维框架结构的受火框架柱;
柱发生屈曲时的竖向变形下降的距离及速度,并将所述距离及速度传输给控制柜;
上端铰接右内侧上伸缩臂下端;
末端处与铰接点有螺纹连接;
的竖向变形下降的距离及速度,并对前述距离及速度进行处理后转换为脉冲信号输出到步
进电机,并控制步进电机以一定的转速开始往一方向运行,进而带动螺纹调节横杆转动,从
而驱动第一上炉体、第二上炉体下降,并使第一上炉体、第二上炉体的下降与试验三维框架
结构的竖向变形下降同步。
电阻炉的上表面,并垂直向试验三维框架结构上部的非受火部分梁或板下表面发射激光。
侧安装的第二滚轮可上下滑动地安装在第二导轨上。
体开关连接。
将左、右侧炉体连接在一起。
下降的距离以及速度,和/或上、下炉体内部的温度变化。
或下降的时候,伸缩臂的内槽型钢在外槽型钢的里面自由滑动,伸缩臂的设计为增强升降
控制装置平面外的稳定性;
度,即实现上铰接座的提升或下降高度;靠近步进电机处穿过销轴的一部分长度的螺纹调
节横杆不设置螺纹,与另一端销轴连接的螺纹调节横杆设置较长一部分长度的螺纹,螺纹
调节横杆在转动的过程中引起左右侧支撑臂的同时变形,右侧支撑臂的变形是因为左右边
侧支撑臂之间的螺纹调节横杆的长度缩短或者伸长时对称平面整体适应性的变形,螺纹调
节横杆与步进电机连接处保持不变;
力,并使电阻炉与三维框架结构具有较好的协同变形效果。
的动力试验,本发明通过伸缩臂增加了升降装置的面外稳定性和抗扭转稳定性,具有更高
的稳定性。
附图说明
臂,5‑3‑1—左边侧上支撑臂,5‑3‑2—左边侧下支撑臂,5‑3‑3—右边侧上支撑臂,5‑3‑4—
右边侧下支撑臂,5‑4—伸缩臂,5‑4‑1—左内侧上伸缩臂,5‑4‑2—左内侧下伸缩臂,5‑4‑
3—右内侧上伸缩臂,5‑4‑4—右内侧下伸缩臂,5‑5—螺纹调节横杆,5‑6—步进电机,6—第
二导轨,7—插销,8—高频激光测距传感器,9—控制柜,10—电源线或数据传输线,10‑1—
控制柜与步进电机的数据传输线,10‑2—控制柜与高频激光测距传感器的数据传输线,10‑
3—步进电机电源线。
具体实施方式
柜9。
凹槽内均安装有第一滚轮,第一下炉体和第二下炉体各自通过其底部的第一滚轮可左右滑
动地安装在两道第一导轨上,第一下炉体和第二下炉体对合后形成下炉体3;上炉体4包括
左右相对设置的第一上炉体和第二上炉体,第一上炉体可上下滑动地套设在第一下炉体的
外侧,第二上炉体可上下滑动地套设在第二下炉体的外侧,可以在第一下炉体和第二下炉
体的前后外侧均安装第二导轨6,在第一上炉体和第二上炉体的前后内侧壁均安装第二滚
轮,第一上炉体和第二上炉体各自通过其内壁上的第二滚轮可上下移动地安装在第二导轨
6上,第一上炉体和第二上炉体对合后形成上炉体4。进一步,在下炉体3、上炉体4的内表面
均设置有保温材料。
两者接触的表面平整光滑,且上炉体4的保温材料可采用具有一定变形能力的柔性材料。上
炉体4与下炉体3之间为轻触可保证上炉体4沿下移的过程中不受到阻碍。
的上炉体4的顶部内壁表面也不设发热电阻丝。第一上炉体、第二上炉体、第一下炉体以及
第二下炉体发热电阻丝分别受不同炉体开关的控制,试验过程中可通过控制不同炉体开关
来实现受火框架柱的均匀升温。
销7相互插合将左、右侧炉体连接在一起。
左、右侧炉体对合,采用螺栓穿过所述螺栓孔将左、右侧炉体连接在一起,连接完成后的上
炉体4与下炉体3之间保持轻触,不影响上炉体4的竖向移动。
经试验三维框架结构的上部非受火梁或板下表面反射回的光信号可以再被高频激光测距
传感器8接收。
离的测量属于现有技术,其工作原理为:高频激光测距传感器8以一定的超高采样频率发出
射激光以连续测量其激光发射部分与试验三维框架结构上部的非受火部分梁或板下表面
的竖向变形下降的距离,并在极短的时间下,计算先后两个距离的差值,即可得到试验三维
框架结构上部的非受火梁或板下表面在受火框架柱屈曲时的竖向变形下降的距离。
术,其原理为:高频激光测距传感器8可以将测量到的试验三维框架结构上部的非受火梁或
板下表面在竖向变形下降的距离与时间相比,以得到试验三维框架结构上部的非受火梁或
板的下表面在受火框架柱屈曲时的竖向变形下降的速度。
5‑6;
缩臂5‑4‑1下端,右内侧下伸缩臂5‑4‑4的上端铰接右内侧上伸缩臂5‑4‑3下端;
其右侧末端固接有步进电机5‑6,其另一末端自由伸长在外侧,且左侧末端处与铰接点有螺
纹连接;
臂5‑4的内槽型钢在外槽型钢的里面自由滑动,伸缩臂5‑4的设计为增强升降控制装置5平
面外的稳定性。
夹角,该夹角的大小能够影响伸缩臂内外套筒之间的摩擦力,通过优化伸缩臂与其外侧支
撑臂要之间的杆件长度比、螺纹调节横杆5‑5与外侧支撑臂之间的杆件长度比以及伸缩臂
内外套筒接触界面摩擦力系数这三个参数,可以实现炉体系统的最优的动力试验稳定性。
进一步,升降控制装置5的步进电机5‑6带动螺纹调节横杆5‑5转动,螺纹调节横杆5‑5的转
动转化成左边侧支撑臂(5‑3‑1、5‑3‑2)的螺纹销轴在螺纹调节横杆5‑5上的位移,以实现整
体拉伸变形机构提升或下降高度,即实现上铰接座的提升或下降高度。进一步的,靠近步进
电机5‑6处穿过销轴的一部分长度的螺纹调节横杆5‑5不设置螺纹,与另一端销轴连接的螺
纹调节横杆5‑5设置较长一部分长度的螺纹,这样设置螺纹的目的是为了保证螺纹调节横
杆5‑5在转动的过程中引起左右侧支撑臂的同时变形,(而右侧支撑臂的变形是因为左右边
侧支撑臂之间的螺纹调节横杆5‑5的长度缩短或者伸长时对称平面整体适应性的变形,螺
纹调节横杆5‑5与步进电机5‑6连接处保持不变)。
构成一个等腰三角形。
的非受火梁或板下表面竖向变形下降的距离及速度,并对前述距离及速度进行处理后转换
为脉冲信号输出到步进电机5‑6,并控制步进电机5‑6以一定的转速往一方向运行,进而带
动螺纹调节横杆5‑5转动从而驱动上炉体4的上升或下降。
控制装置5来控制。
上炉体4与下炉体3之间的接触距离最大,此时柱高为该电阻炉在该试验三维框架受载条件
下能适用的最小柱高,比这个高度大的试验构件该电阻炉都可适用,但受火框架柱的受火
高度会有一个最大值。
柱从柱底至某一柱高的受火区域,例如不能实现柱底不受热而柱底以上部分受热。
体对合后能够从第一上炉体和第二上炉体顶部对合的凹槽中通过,接着以受火框架柱为中
心确定其他非受火框架柱的位置,并将非受火框架柱安装在确定过的相应位置,在所有框
架柱安装完成后对框架柱的位置进行一次校核,试验三维框架结构的所有框架柱安装无误
后,进行框架梁的吊装,框架梁柱安装完成后可安装板,在板安装完成后此时整个试验三维
框架结构安装完成,试验三维框架结构安装完成后,将左右两个单侧炉体往中间推动,当两
个单侧炉体接触之后安装插销7,将两个单侧炉体连接起来,之后控制上炉体4往上移动。此
时整个试验装置已经安装完成,打开高频激光测距传感器8后,并通过炉体开关对上、下炉
体中的发热电阻丝通电进行升温试验,可按照ISO834国际标准升温曲线升温,或者也可以
按照其他升温曲线升温,如烃类火灾升温曲线、均匀直线升温曲线等。
面竖向变形下降的距离以及非受火梁板下表面的变形速度大小并传输至控制柜的处理器,
通过控制柜中的处理器对前述距离与速度信号进行处理后转换为脉冲信号输出到步进电
机5‑6,得到信号后的步进电机5‑6以一定的转速转动带动螺纹调节横杆5‑5转动,螺纹调节
横杆5‑5通过转动调节下支撑臂和上支撑臂进行提升和下降高度,处理器控制着步进电机
5‑6转数与转速,通过控制步进电机5‑6的转数来控制着上炉体4在第二轨道6上下移的距
离,通过控制步进电机5‑6的转速控制着上炉体4在第二轨道6上移动的速度,这个过程实现
了上炉体4与试验三维框架结构的竖向变形同步,即上炉体4往下移动的距离与试验三维框
架结构的上部非受火梁或板下表面最大的竖向变形距离大小相同,同时上炉体4向下移动
的速度与试验三维框架结构的上部非受火梁或板下表面竖向变形速度大小相同,由此,该
装配式电阻炉与试验三维框架结构可形成良好的协同变形效果。
出。
为等同的有效实施例,均属于本申请技术方案保护的范围。