專利名稱：：隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種試驗裝置，特別是一種用于對隧道襯砌構件進行高溫力學性能試驗的裝置。
背景技術：
：對于隧道襯砌這類地下結構，當研究其構件(管片、接頭等)高溫時(高溫后)的力學性能時，與地上結構相比，有如下幾個方面的重要特點和不同國內外實際火災事故和火災試驗表明隧道火災升溫速度快(最高可達到250'C/min)，達到的最高溫度高(最高可達到1350'C),火災持續(xù)的時間長。為了描述隧堪火災的特點，目前國際上已建立了RWS(荷蘭)，HC，RABT(德國)等溫度一時間曲線。因此，在進行隧道襯砌構件高溫時(高溫后)力學性能的試驗時，必須要營造出符合實際隧道火災特點的升溫環(huán)境(也即模擬這些已經建立的標準曲線)。相對于地上結構而言，隧道襯砌構件的受火方式為單面受火，同時另一面并非與空氣而是與包裹其的巖土體(包括地下水)接觸。由于隧道襯砌結構被巖土體包裹，地下水及周圍巖土體會明顯的影響襯砌構件內部溫度的發(fā)展變化規(guī)律，進而影響其材料物理力學性能的變化。不同的溫度一荷載工況會明顯的影響隧道襯砌構件高溫時(高溫后)物理力學性能的變化。因此，在開展隧道襯砌構件的高溫時(高溫后)力學性能試驗時需要體現(xiàn)上述特點。而從已有的試驗裝置和方法來看，在進行的試驗內容方面，己進行的一些隧道襯砌結構的高溫試驗，大部分只能夠研究隧道襯砌結構的耐火性能，高溫下隧道襯砌結構的抗爆裂性能、襯砌結構內的溫度分布，火災對隧道襯砌結構表面的損傷及防護措施。在升溫方面，這些試驗裝置常采用的方法如表1所示。從這些方法看，存在的問題主要是或者升溫速度慢、或者達到的最高溫度低、或者不能準確的控制溫度按照預定的升溫曲線升高，均不能很好的反映隧道火災的特點。在模擬隧道襯砌結構熱邊界條件方面，目前幾乎都不考慮周圍巖土體對襯砌構件高溫力學性能的影響?？偟膩砜矗F(xiàn)有能夠開展某個方面研究的試驗系統(tǒng)存在的問題主要是研究內容單一，不能夠方便的模擬多種隧道火災溫度場景，不能夠模擬多種溫度一荷載工況，沒有考慮周圍巖土體的影響。而能夠模擬隧道火災特點(升溫速度快，最高溫度高)、熱邊界(與巖土體接觸)及隧道襯砌構件受力狀況，能安全、可靠的開展隧道襯砌構件(管片、接頭等)髙溫時(高溫后)力學性能試驗的綜合性試驗系統(tǒng)尚耒見報道。表1目前進行構件火災試驗時使用的升溫方式<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>
發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能夠模擬隧道火災特點、熱邊界狀態(tài)及隧道襯砌構件受力狀況，能安全、可靠、高效的開展隧道襯砌構件高溫時(高溫后)力學性能試驗的綜合性多功能試驗系統(tǒng)。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案一種隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，包括以下各部分O)隔熱保溫子系統(tǒng)，包括加熱爐爐膛、活動隔熱塊、隔熱纖維和隔熱擋板，待測構件設置在爐膛上方，所述活動隔熱塊、隔熱纖維和隔熱擋板設置在待測構件與加熱爐的連接部位；②火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)，包括燃燒器控制臺、燃燒器、液化氣及空氣供應設備，所述燃燒器安裝于爐膛內；O支座及襯砌構件力學邊界模擬子系統(tǒng)，包括加載承臺和支座，所述加載承臺設置在加熱爐的外面，所述支座設置在待測構件的兩端并與加載承臺相連接；④加載子系統(tǒng)，包括液壓站及控制臺、豎向加載千斤頂、水平加載千斤頂和加載反力框架，所述加載反力框架固定在地面上，加載反力框架包括一根橫粱和兩根立柱，所述豎向加載千斤頂設置在所述橫梁與待測構件之間，所述水平加載千斤頂設置在立柱與支座之間測量子系統(tǒng)，包括與豎向加載千斤頂相連接的豎向測力傳感器、與水平加載千斤頂相連接的水平測力傳感器、設置在爐膛內的爐內溫度傳感器以及與待測構件相連接的構件參數(shù)測量裝置；⑤數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，包括上位計算機和與之相連接的數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器與測量子系統(tǒng)相連接；⑦襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)，包括設置在待測構件外表面的擋土斜撐及擋土板，以及設置在所述擋土斜撐及擋土板之間的土體。本試驗系統(tǒng)的優(yōu)點體現(xiàn)在由于選用工業(yè)級燃氣燃燒器和程序自動控制升溫，使得本試驗系統(tǒng)能夠較好的模擬隧道火災場景，體現(xiàn)了隧道火災升溫速度快、達到的最高溫度高的特點本試驗系統(tǒng)的升溫速度，最高溫度均可調，能夠支持多種隧道火災場景，可以根據(jù)要求自由選擇和自動程序設定需要的溫度一時間曲線；合理布置的保溫隔熱措施，既保證了爐內的快速升溫和較小的溫度波動，同時，避免了爐內高溫對測試裝置、加載裝置及周圍環(huán)境的影響能夠模擬隧道襯砌構件的熱邊界條件(單面受火，另一面為巖土體，能夠模擬周圍土體、地下水對構件的影響)；能夠對襯砌構件施加多種荷載一溫度工況(先升溫后加載，先加載后升溫或者先升溫冷卻后加載等)。同時，除了可以方便的進行隧道襯砌構件髙溫時(髙溫后)的力學性能試驗，也可以對其進行常溫時的力學性能試驗；同時，能夠方便對板、梁、柱等多種類型的構件進行高溫時(高溫后)及常ia下的力學性能試驗；借助于程序控制和自動數(shù)據(jù)采集技術，提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準確性；本試驗系統(tǒng)故障率低，安全可靠，便于操作，能夠勝任隧道襯砌構件高溫時(高溫后)力學性能試驗的要求。優(yōu)選地，所述豎向加載千斤頂與待測構件之間還設有分載梁，所述分載梁包括兩個與待測構件相接觸的加載頭和一根與豎向加載千斤頂相連接的承載梁。分載梁可以改變待測構件上的載荷分布，更好地模擬待測構件的真實受力狀態(tài)。上述技術方案中，構件參數(shù)測量裝置包括溫度、變形、曲率及接頭張角傳感器。上述支座的一種優(yōu)選結構是由水平底板、垂直擋板和圓鋼構成，所述水平底板和垂直擋板焊接連接，所述圓鋼可滾動地設置在水平底板與加載承臺之間。這種支座與水平加載千斤頂配合，能夠對襯砌構件施加不同的位移邊界條件，如實現(xiàn)固定鉸支、活動鉸支及半活動鉸支等。下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)的結構組成示意圖。圖2是火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)的組成框圖。圖3是圖1中A-A處的剖視圖。圖4所示的是待測襯砌構件在端部形成活動鉸支的狀態(tài)。圖5所示的是待測襯砌構件在端部形成半活動鉸支的狀態(tài)。圖6所示的是待測襯砌構件在端部形成固定鉸支的狀態(tài)。圖7是襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)的示意圖。圖8是圖7中B-B處的剖視圖。具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明的隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，由以下七個子系統(tǒng)組成-(1)火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)；(2)隔熱保溫子系統(tǒng)；(3)支座及襯砌構件力學邊界模擬子系統(tǒng)；(4)加載子系統(tǒng)；(5)測量子系統(tǒng)；(6)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；(7)襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)。下面對各個子系統(tǒng)分別作詳細介紹-一、火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)主要包括燃燒器控制臺l、燃燒器2、液化氣及空氣供應設備3，燃燒器2安裝于爐膛4上預留的燃燒器安裝孔5內?；馂臒岘h(huán)境模擬子系統(tǒng)的運行原理如圖2所示。燃燒器控制臺1根據(jù)爐膛內溫度探頭反饋回來的爐溫，通過流量控制器自動調節(jié)液化氣和空氣的流量，使得爐內溫度按照設定的曲線變化。同時，燃燒器2前端內置的火焰探測器能夠實時探瀾火焰的燃燒情況，并能在異常情況下發(fā)出警報。與現(xiàn)有的升溫方式相比，由于采用工業(yè)級燃燒器和程序自動控制升溫，本火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)能夠達到的最高溫度為1350'C,最大升溫速度為250XVmin，同時，可以根據(jù)研究的需要預先設定不同的隧道火災溫度一時間曲線(如HC、RABT、RWS等標準曲線)。本火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)較好的模擬了隧道火災升溫速度快、達到的最高溫度高的特點，同時，產生的溫度場波動小，溫度分布均。此外，由于是程序自動控制，操作簡便、安全可靠。二、隔熱保溫子系統(tǒng)隔熱保溫子系統(tǒng)主要包括由耐火混凝土澆注而成的加熱爐爐膛4，燃燒器安裝孔5，排煙道及煙囪6，活動隔熱塊7，隔熱纖維8和隔熱擋板9。爐膛4是燃燒器2火焰燃燒和熱量集聚的空間。待測構件19設置在爐膛4的上方，活動隔熱塊7、隔熱纖維8和隔熱擋板9設置在待測構-件19與加熱爐的連接部位，避免了爐內高溫對外部測試設備、加載設備以及周圍環(huán)境的影響。升溫過程中，燃燒產生的熱廢氣通過爐膛4底部的排煙道和煙囪6排出爐外?；顒痈魺釅K7和隔熱纖維8—起保護加載承臺IO免受爐內高溫的影響。當進行管片及接頭的高溫力學性能試驗時，可將隔熱塊7和隔熱纖維8安裝在圖1所示的位置。當進行板、梁、柱的高溫力學性能試驗時，可將隔熱塊7卸除，以保證板、梁、柱可以自由變形。隔熱擋板9的內層為耐火纖維，外層為鋼板，中間由耐火混凝土澆注而成。隔熱擋板9安裝于加熱爐爐膛4上方，緊貼試驗襯砌構件19,主要作用是減少爐內的熱量損失，同時避免爐內高溫對外部設備、人員的影響。三、支座及襯砌構件力學邊界模擬子系統(tǒng)支座及襯砌構件力學邊界模擬子系統(tǒng)主要包括加載承臺10和支座11。加載承臺10由剛度較大的2根鋼梁和4根鋼柱焊接而成，架設于加熱爐的外面，并與加熱爐保持lcm的間隙，加載承臺10這種組成結構和布置方式既提供了對襯砌構件加載所必須的穩(wěn)定的平臺，同時，又避免了爐內高溫對其的影響。支座ll由水平底板lll、垂直擋板112和圓鋼113構成，圓鋼113可在水平底板111與加載承臺10之間滾動，構件19的端部與水平底板111、垂直擋板112之間的孔隙由水泥砂漿114填充，如附圖4所示。支座11安放在加載承臺10上，用來模擬襯砌構件試驗需要的邊界條件。與水平加載千斤頂配合，支座ll可以模擬活動鉸支、半活動鉸支以及固定鉸支(1)活動鉸支。撤掉水平千斤頂，支座11通過圓鋼113可沿著加載承臺10自由滑動，實現(xiàn)活動鉸支，如圖4所示。(2)半活動鉸支。通過伸縮千斤頂，改變襯砌構件19所受的水平向的荷載，支座ll同時通過圓鋼113沿著加載承臺10滑動，實現(xiàn)半鉸支，如圖5所示。(3)固定鉸支。在支座11與加載反力框架16之間設置固定千斤頂，則支座ll不能沿著加載承臺10滑動，實現(xiàn)固定鉸支，如圖6所示。四、加載子系統(tǒng)加載子系統(tǒng)主要包括液壓站及控制臺12，豎向加載千斤頂13，水平加載千斤頂14，加載反力框架16,還可以根據(jù)需要選擇不同的形式分載梁15，分載梁包括兩個與待測構件19相接觸的加載頭和一根與豎向加載千斤頂13相連接的承載梁。加載反力框架16固定在地面上，加載反力框架16包括一根橫梁和兩根立柱，豎向加載千斤頂13設置在所述橫梁與待測構件19之間，而兩個水平加載千斤頂14設置在兩個立柱與支座11之間。加載子系統(tǒng)按照試驗要求負責對待測襯砌構件施加豎向、水平方向的荷載。其中分載梁15可根據(jù)試驗要求按照一點加載安裝或者兩點加載安裝。五、測量子系統(tǒng)測量子系統(tǒng)主要包括豎向測力傳感器17、水平測力傳感器18、爐內溫度傳感器20和構件參數(shù)測量裝置21。其中豎向測力傳感器17設置在豎向加載千斤頂13的一端，水平測力傳感器18設置在水平加載千斤頂14的一端，爐內溫度傳感器20設置在爐膛4內，構件參數(shù)測量裝置21與待測構件19相連接，可用于測量構件的溫度、變形、曲率及接頭張角等參數(shù)。具體地說，測量子系統(tǒng)能夠測試的參量包括(1)襯砌構件所受的荷載。通過豎向測力傳感器17和水平測力傳感器18，可以得到連續(xù)的任意時刻構件的豎向及水平向的受力情況。同時，豎向測力傳感器17和水平測力傳感器18可用來指示加載子系統(tǒng)的加載。(2)爐膛內部溫度。通過爐溫溫度傳感器20,在爐膛兩側及中央布置三個熱電偶可以測得連續(xù)的爐內的溫度變化。(3)襯砌構件內部的溫度分布。利用預埋或者后鉆孔(在構件預定位置打孔，清孔后，在孔中注入導熱性能良好的鋁粉，使熱電偶端部與混凝土壁間具有良好的熱接觸，之后在孔中填充水泥砂漿)的方法，在襯砌構件內安裝熱電偶即可得到連續(xù)的構件內任意點任意時刻的溫度變化；同時，在構件周圍包裹的土體中安裝熱電偶也可以得到連續(xù)的構件周圍土體中的溫度分布。(4)襯砌構件的線位移。通過鋼架(鋼架通過膨脹螺栓固定在襯砌構件上)將位移計引出到常溫區(qū)進行位移量測可以避免高溫對位移計的影響，同時可以測得連續(xù)的構件任意時刻的線位移。(5)襯砌接頭張角(張開量)。利用接頭張角測量裝置，可以測得接頭任意時刻的連續(xù)的張角(張開量)。(6)襯砌構件曲率。利用構件曲率測量裝置可以測得構件任意時刻、任意位置的連續(xù)的曲六、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)22主要包括上位計算機和與之相連接的數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器與測量子系統(tǒng)中的各個傳感器(如溫度、位移、張角、測力傳感器等)相連接，并實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C。七、襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)如圖7、圖8所示，襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)23主要包括設置在待測構件19外表面的擋土斜撐及擋土板231，以及設置在所述擋土斜撐及擋土板231之間不同特性的土體232。試驗時，通過對襯砌構件覆蓋不同特性的土體232，不僅模擬了襯砌構件的熱邊界條件，同時模擬了地下巖土體對襯砌構件內溫度分布、受力特性等的影響。綜上所述，本發(fā)明的試驗系統(tǒng)的功能如下(1)利用本試驗系統(tǒng)可以開展的研究利用本試驗系統(tǒng)，可以進行廣泛的隧道襯砌構件的高溫時(高溫后)力學性能試驗①襯砌構件內溫度場傳播分布規(guī)律(考慮隧道襯砌實際受火狀況，以及圍巖、地下水、表面防護等的影響)；②不同火災場景、不同受力狀態(tài)下，襯砌構件(管片、接頭等)的損壞形式(爆裂、開裂、漏水)、損壞機理以及薄弱環(huán)節(jié)；③襯砌構件高溫時、高溫后的變形、承載能力；④不同火災場景、受力狀況下襯砌構件的耐火極限提高襯砌構件耐火性能的方法及試驗檢驗。(2)本試驗系統(tǒng)支持的材料類型，構件形狀各種混凝土、鋼筋混凝土以及鋼纖維混凝土構件。構件的形狀可以是襯砌管片、接頭、板以及梁、柱。(3)本試驗系統(tǒng)能夠模擬的荷載一溫度工況利用本試驗系統(tǒng)，既可進行高溫下襯砌構件的力學性能試驗(可以采用先加載，后升溫或者先升溫后加載的荷載一溫度路徑)，也可進行經歷高溫后襯砌構件的力學性能試驗。同時，也可以進行常溫下襯砌構件的各種力學性能試驗。(4)本系統(tǒng)能夠模擬的荷載(熱)邊界條件本試驗系統(tǒng)能夠模擬活動鉸支、半活動鉸支以及固定鉸支三種位移邊界條件?？梢阅M隧道襯砌構件所處的熱邊界條件(周圍巖土及地下水)。(5)本系統(tǒng)能夠模擬的火災場景本試驗系統(tǒng)最高加熱溫度可以達到1350'C，最大升溫速度可以達到250t:/min。較好的體現(xiàn)了隧道火災升溫速度快，達到的最高溫度高的特點。同時，通過程序控制，可以模擬多種國際上通用的標準溫度一時間曲線(如RABT、RWS、HC曲線等)。以HC標準曲線為例，實際試驗表明本試驗系統(tǒng)能夠較好的模擬。權利要求1.一種隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，其特征是，包括以下各部分隔熱保溫子系統(tǒng)，包括加熱爐爐膛(4)、活動隔熱塊(7)、隔熱纖維(8)和隔熱擋板(9)，待測構件(19)設置在爐膛(4)上方，所述活動隔熱塊(7)、隔熱纖維(8)和隔熱擋板(9)設置在待測構件(19)與加熱爐的連接部位；火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)，包括燃燒器控制臺(1)、燃燒器(2)、液化氣及空氣供應設備(3)，所述燃燒器(2)安裝于爐膛(4)內；支座及襯砌構件力學邊界模擬子系統(tǒng)，包括加載承臺(10)和支座(11)，所述加載承臺(10)設置在加熱爐的外面，所述支座(11)設置在待測構件(19)的兩端并與加載承臺(10)相連接；加載子系統(tǒng)，包括液壓站及控制臺(12)、豎向加載千斤頂(13)、水平加載千斤頂(14)和加載反力框架(16)，所述加載反力框架(16)固定在地面上，加載反力框架(16)包括一根橫梁和兩根立柱，所述豎向加載千斤頂(13)設置在所述橫梁與待測構件(19)之間，所述水平加載千斤頂(14)設置在立柱與支座(11)之間；測量子系統(tǒng)，包括與豎向加載千斤頂(13)相連接的豎向測力傳感器(17)、與水平加載千斤頂(14)相連接的水平測力傳感器(18)、設置在爐膛(4)內的爐內溫度傳感器(20)以及與待測構件(19)相連接的構件參數(shù)測量裝置(21)；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(22)，包括上位計算機和與之相連接的數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器與測量子系統(tǒng)相連接；襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)(23)，包括設置在待測構件(19)外表面的擋土斜撐及擋土板(231)，以及設置在所述擋土斜撐及擋土板之間的土體(232)。2.根據(jù)權利要求1所述的隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，其特征是，所述豎向加載千斤頂(13)與待測構件(19)之間還設有分載梁(15),所述分載梁(15)包括兩個與待測構件(19)相接觸的加載頭和一根與豎向加載千斤頂(13)相連接的承載梁。3.根據(jù)權利要求1所述的隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，其特征是，構件參數(shù)測量裝置(21)包括溫度、變形、曲率及接頭張角傳感器。4.根據(jù)權利要求1所述的隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，其特征是，所述支座(11)包括水平底板(111)、垂直擋板(112)和圓鋼(113)，所述水平底板(111)和垂直擋板(112)焊接連接，所述圓鋼(113)可滾動地設置在水平底板(111)與加載承臺(10)之間。全文摘要本發(fā)明公開了一種隧道襯砌構件高溫力學性能試驗系統(tǒng)，包括火災熱環(huán)境模擬子系統(tǒng)、隔熱保溫子系統(tǒng)、支座及襯砌構件力學邊界模擬子系統(tǒng)、加載子系統(tǒng)、測量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、襯砌構件熱邊界模擬子系統(tǒng)。本試驗系統(tǒng)能夠較好的模擬隧道火災特點(升溫速度快、達到的最高溫度高)及多種隧道火災場景；能夠對襯砌構件施加多種荷載—溫度工況；能夠模擬隧道襯砌構件的熱邊界條件及周圍土體、地下水對構件的影響。本試驗系統(tǒng)除了可以方便的進行隧道襯砌構件高溫時(高溫后)的力學性能試驗，也可以對其進行常溫時的力學性能試驗。本試驗系統(tǒng)安全可靠，便于操作，故障率低，能夠勝任隧道襯砌構件高溫時(高溫后)力學性能試驗的要求。文檔編號G01N19/00GK101131342SQ20061003045公開日2008年2月27日申請日期2006年8月25日優(yōu)先權日2006年8月25日發(fā)明者健強,曾令軍,朱合華,白廷輝,勇袁,閆治國申請人:同濟大學