CN111103230B - 一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，包括纵向通风***、隧道主体、隧道衬砌荷载加载***、排气净化***，电化学锈蚀实验装置组成，纵向通风***包括防虫鼠网、风机和风管格栅，防虫鼠网、风机和风管格栅从左到右依次设置，风管格栅的一端与风机连接，风管格栅的另一端用于接入实验隧道；本发明通过纵向通风***、隧道主体、隧道衬砌荷载加载***、排气净化***，电化学锈蚀实验装置能实现真实火灾、劣化、荷载多重作用下隧道衬砌灾变特性的测试，实验过程中能够实时记录隧道火灾发展过程，获取衬砌内部温度场、衬砌蒸汽压分布、力学行为响应等灾变特性。

Description

一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台
技术领域
本发明涉及测试平台科研领域，具体是指一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台。
背景技术
目前，我国重大隧道工程的建设和营运规模已跃居世界第一，隧道安全已成为学术界和工程界重点关注的问题。隧道空间狭长受限，火灾热释放速率大、温度高、升温速度快，过去二十年，世界上发生了多起非常严重的隧道火灾事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失，隧道也发生了大面积的坍塌和破坏，举世瞩目的勃朗峰隧道火灾、瑞士圣哥达隧道火灾、英法海底隧道火灾等都给人们留下了深刻的印象和教训。目前，火灾高温下衬砌管片热物理特性和结构变化一般是在标准温升条件下进行的，并不能模拟真实隧道火灾热环境；另外，受服役环境条件长期作用，隧道衬砌管片的性能退化、劣化，也会严重影响衬砌管片对热环境的响应特征，因此长期服役隧道衬砌结构已劣化、退化下的火安全问题已成为隧道安全方面的关键科学问题。如天津大学申请的盾构隧道管片衬砌受高温组合荷载作用的加载实验装置申请号：201610777238.4，主要包括基座、n根外压加载分配梁，n*m个液压千斤顶，n*m块承压板和环状电热炉，其中，环状电热炉置于基座上，受试的盾构隧道管环放置在环状电热炉与加载试验装置之间；n根外压加载分配梁均匀锚固在基座上与环状电热炉同心的圆周上，每根外压加载分配梁上沿竖向设置m个液压千斤顶，每个千斤顶另一端设置一块承压板，千斤顶与承压板之间用球铰支座连接，同一水平位置的n块承压板构成环状，且与试验盾构管环外轮廓相同。该实验装置仅能开展标准温升条件下隧道衬砌管片结构变化特性，并不能模拟真实隧道火灾热环境，也无法定量评估劣化后衬砌管片对火灾热环境的响应特性，因此，急需研发一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，包括纵向通风***、隧道主体、隧道衬砌荷载加载***、排气净化***，电化学锈蚀实验装置组成，所述纵向通风***包括防虫鼠网、风机和风管格栅，所述防虫鼠网、风机和风管格栅从左到右依次设置，所述风管格栅的一端与风机连接，所述风管格栅的另一端用于接入实验隧道；
所述隧道主体分为衬砌荷载加载区和非荷载加载区，所述衬砌荷载加载区采用砖混结构设计，所述非荷载加载区为钢筋混凝土结构；
所述隧道衬砌荷载加载***设置在衬砌荷载加载区的上方，所述隧道衬砌荷载加载***包括试验管片、加载***和测力传感器液压千斤顶，所述加载***设置在试验管片的上方，所述试验管片的下方设置有燃烧器，所述隧道衬砌荷载加载***的外侧设置有控制柜；
所述排气净化***包括集烟罩，所述集烟罩的一端与实验隧道腔室连接，其另一端连接设有烟气净化及排气装置；
所述电化学锈蚀实验装置包括电源模块、控制模块、信号采集装置和管片试验锈蚀槽，所述管片试验锈蚀槽内设有热电偶，所述热电偶设置在试验管片上，所述电源模块用于给控制模块和信号采集装置提供电能，所述控制模块与管片试验锈蚀槽之间电性连接。本发明采用纵向通风***、隧道主体、隧道衬砌荷载加载***、排气净化***，电化学锈蚀实验装置等结构的结合，利用隧道主体可模拟不同条件下真实火灾热环境，利用隧道衬砌荷载加载***实现衬砌管片荷载加载，利用排气净化***进行烟气收集和净化排放。
进一步地，所述加载***采用PID控制技术调控施力机构，可以实现真实火灾条件下对衬砌管片进行荷载加载。
进一步地，所述测力传感器液压千斤顶设有两组，关于试验管片呈对称结构设置。
进一步地，所述风机为变频轴流风机。
进一步地，所述烟气净化及排气装置包括烟气分析仪和烟气净化器，所述烟气分析仪用于对烟气组分进行监测和分析，所述烟气净化器用于烟气的净化。
进一步地，所述纵向通风***、隧道主体和排气净化***首尾依次设置纵向通风***可以模拟不同纵向风速作用下真实火灾热环境。
进一步地，所述衬砌荷载加载区设置在隧道主体的中心上方。
进一步地，所述燃烧器设有若干组，呈线性结构排列，间距均匀。
发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过纵向通风***、隧道主体、隧道衬砌荷载加载***、排气净化***，电化学锈蚀实验装置能实现真实火灾、劣化、荷载多重作用下隧道衬砌灾变特性的测试，实验过程中能够实时记录隧道火灾发展过程，获取衬砌内部温度场、衬砌蒸汽压分布、力学行为响应等灾变特性。本发明提供了一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，可模拟不同纵向通风条件下不同火源类型固体、液体、气体、不同火源位置横向位置、纵向位置、火源高度的真实火灾热环境，利用大型碳化箱、电化学锈蚀实验装置制作不同劣化程度管片试件，综合采用加载实验装置对隧道衬砌管片加载荷载，近而实现真实火灾、劣化、荷载多重作用下隧道衬砌灾变特性定量测试与分析，实时记录隧道火灾发展过程，获取衬砌内部温度场、衬砌蒸汽压分布、力学行为响应等灾变特性，定量评估真实火灾热环境下隧道衬砌的损伤破坏规律。解决了现有技术中不能够真实模拟火灾热环境下隧道衬砌的过程。
附图说明
图1是本发明一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台的结构示意图；
图2是纵向通风***的结构示意图；
图3是排气净化***的结构示意图；
图4是隧道衬砌荷载加载***的结构示意图；
图5电化学锈蚀实验装置的结构示意图；
图6是隧道内及衬砌管片热电偶布置点位示意图；
图7是热电偶布置点位的结构示意图一；
图8是热电偶布置点位的结构示意图二。
如图所示：1、纵向通风***，2、隧道主体，3、隧道衬砌荷载加载***，4、排气净化***，5、电化学锈蚀实验装置，6、防虫鼠网，7、风机，8、风管格栅，9、试验管片，10、加载***，11、测力传感器液压千斤顶，12、集烟罩，13、烟气净化及排气装置，14、电源模块，15、控制模块，16、信号采集装置，17、管片试验锈蚀槽，18、燃烧器，19、控制柜，20热电偶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
结合附图，对本发明进行详细介绍。
本发明在具体实施时提供了一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，包括纵向通风***1、隧道主体2、隧道衬砌荷载加载***3、排气净化***4，电化学锈蚀实验装置5组成，所述纵向通风***1包括防虫鼠网6、风机7和风管格栅8，所述防虫鼠网6、风机7和风管格栅8从左到右依次设置，所述风管格栅8的一端与风机7连接，所述风管格栅8的另一端用于接入实验隧道；
所述隧道主体2分为衬砌荷载加载区和非荷载加载区，所述衬砌荷载加载区采用砖混结构设计，所述非荷载加载区为钢筋混凝土结构；
所述隧道衬砌荷载加载***3设置在衬砌荷载加载区的上方，所述隧道衬砌荷载加载***3包括试验管片9、加载***10和测力传感器液压千斤顶11，所述加载***10设置在试验管片9的上方，所述试验管片9的下方设置有燃烧器18，所述隧道衬砌荷载加载***3的外侧设置有控制柜19；
所述排气净化***4包括集烟罩12，所述集烟罩12的一端与实验隧道腔室连接，其另一端连接设有烟气净化及排气装置13；
所述电化学锈蚀实验装置5包括电源模块14、控制模块15、信号采集装置16和管片试验锈蚀槽17，所述管片试验锈蚀槽17内设有热电偶20，所述热电偶20设置在试验管片9上，所述电源模块14用于给控制模块15和信号采集装置16提供电能，所述控制模块15与管片试验锈蚀槽17之间电性连接。
所述加载***10采用PID控制技术调控施力机构。所述测力传感器液压千斤顶11设有两组，关于试验管片9呈对称结构设置。所述风机7为变频轴流风机。所述烟气净化及排气装置13包括烟气分析仪和烟气净化器，所述烟气分析仪用于对烟气组分进行监测和分析，所述烟气净化器用于烟气的净化。所述纵向通风***1、隧道主体2和排气净化***4首尾依次设置。所述衬砌荷载加载区设置在隧道主体2的中心上方。所述燃烧器18设有若干组，呈线性结构排列，间距均匀。
本发明的具体实施方式如下：本发明在使用时包括以下步骤：预置隧道衬砌管片，利用大型碳化箱对衬砌管片进行碳化处理，而后利用电化学锈蚀实验装置，通过调节通电时间和通电电流，制作不同劣化程度的隧道衬砌管片；
将试验管片9放置在隧道主体2的荷载加载区，并利用液压千斤顶11固定衬砌管片；2调试数据采集***，确保数据采集***正常运行；3根据实验要求，选取合适的火源位置及火源类型，实施点火；调节变频轴流风机7，使纵向通风风速达到指定值；打开排气净化***4；4开启隧道衬砌荷载加载***3，调节加载荷载达到指定值；5利用数据采集***实时记录隧道火灾发展过程、获取衬砌内部温度场、衬砌蒸汽压分布、力学行为响应等灾变特性参数；6待实验完成后，释放隧道衬砌加载荷载，关闭隧道衬砌荷载加载***3；关闭纵向通风***1及排气净化***4，熄灭火源；根据实验数据分析，定量分析真实火灾、劣化、荷载多重作用下隧道衬砌灾变特性，定量评估真实火灾热环境下隧道衬砌的损伤破坏规律。
本发明通过纵向通风***、隧道主体、隧道衬砌荷载加载***、排气净化***，电化学锈蚀实验装置能实现真实火灾、劣化、荷载多重作用下隧道衬砌灾变特性的测试，实验过程中能够实时记录隧道火灾发展过程，获取衬砌内部温度场、衬砌蒸汽压分布、力学行为响应等灾变特性。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：包括纵向通风***(1)、隧道主体(2)、隧道衬砌荷载加载***(3)、排气净化***(4)，电化学锈蚀实验装置(5)组成，所述纵向通风***(1)包括防虫鼠网(6)、风机(7)和风管格栅(8)，所述防虫鼠网(6)、风机(7)和风管格栅(8)从左到右依次设置，所述风管格栅(8)的一端与风机(7)连接，所述风管格栅(8)的另一端用于接入实验隧道；
所述隧道主体(2)分为衬砌荷载加载区和非荷载加载区，所述衬砌荷载加载区采用砖混结构设计，所述非荷载加载区为钢筋混凝土结构；
所述隧道衬砌荷载加载***(3)设置在衬砌荷载加载区的上方，所述隧道衬砌荷载加载***(3)包括试验管片(9)、加载***(10)和测力传感器液压千斤顶(11)，所述加载***(10)设置在试验管片(9)的上方，所述试验管片(9)的下方设置有燃烧器(18)，所述隧道衬砌荷载加载***(3)的外侧设置有控制柜(19)；
所述排气净化***(4)包括集烟罩(12)，所述集烟罩(12)的一端与实验隧道腔室连接，其另一端连接设有烟气净化及排气装置(13)；
所述电化学锈蚀实验装置(5)包括电源模块(14)、控制模块(15)、信号采集装置(16)和管片试验锈蚀槽(17)，所述管片试验锈蚀槽(17)内设有热电偶(20)，所述热电偶(20)设置在试验管片(9)上，所述电源模块(14)用于给控制模块(15)和信号采集装置(16)提供电能，所述控制模块(15)与管片试验锈蚀槽(17)之间电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述加载***(10)采用PID控制技术调控施力机构。
3.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述测力传感器液压千斤顶(11)设有两组，关于试验管片(9)呈对称结构设置。
4.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述风机(7)为变频轴流风机。
5.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述烟气净化及排气装置(13)包括烟气分析仪和烟气净化器，所述烟气分析仪用于对烟气组分进行监测和分析，所述烟气净化器用于烟气的净化。
6.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述纵向通风***(1)、隧道主体(2)和排气净化***(4)首尾依次设置。
7.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述衬砌荷载加载区设置在隧道主体(2)的中心上方。
8.根据权利要求1所述的一种模拟真实火灾作用下隧道衬砌灾变特性测试平台，其特征在于：所述燃烧器(18)设有若干组，呈线性结构排列，间距均匀。
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