混凝土T形梁高溫下的損傷識(shí)別方法研究

馬子棟，郭新雨

（中建八局第二建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250000）

1 引言

由于混凝土中骨料、水泥等材料的熱工性能不同，高溫下不同材料間發(fā)生的化學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能發(fā)生變異，使混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化，穩(wěn)定性降低。研究高溫下鋼筋混凝土T形梁的振型，并對(duì)簡(jiǎn)支梁損傷識(shí)別方法進(jìn)行驗(yàn)證有著極其重要的意義。試驗(yàn)通過(guò)振動(dòng)測(cè)量裝置獲得鋼筋混凝土梁（RC梁）高溫后梁的固有頻率并計(jì)算振型，根據(jù)測(cè)得結(jié)果計(jì)算RC梁的撓度，探究RC梁的振動(dòng)與承載力的關(guān)系，驗(yàn)證RC梁損傷程度判斷方法的可靠性，為混凝土結(jié)構(gòu)高溫?fù)p傷程度推斷和改善提供參考依據(jù)[1]。

2 高溫靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4榀混凝土強(qiáng)度為C35的HRB400鋼筋混凝土T形梁（編號(hào)為BT1～BT4）。所有梁長(zhǎng)為3.0 m，有效長(zhǎng)度為2.8 m，梁兩端各留100 mm支撐長(zhǎng)度，錨固長(zhǎng)度為180 mm?；炷帘Ｗo(hù)層厚度取30 mm。BT1與BT2分別在正常使用極限狀態(tài)和不開裂狀態(tài)下施加14 kN/m與4 kN/m的恒載，并升溫120 min；BT3在無(wú)荷載的情況下升溫120 min；BT4作為對(duì)比試件，僅做靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)梁測(cè)溫點(diǎn)布置如圖1所示。對(duì)4榀梁進(jìn)行不同荷載及高溫條件下的振動(dòng)頻率試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)梁測(cè)溫點(diǎn)布置圖

采用水平火災(zāi)試驗(yàn)爐進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，充分燃燒120 min并采集溫度，待火災(zāi)爐內(nèi)溫度下降至100℃時(shí)停止采集，恢復(fù)至室溫后將梁吊出爐蓋?；馂?zāi)試驗(yàn)爐升溫曲線與ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線總體發(fā)展趨勢(shì)基本一致，如圖2所示。根據(jù)曲線觀察RC梁高溫后變形程度，測(cè)定其承載力，待恢復(fù)室溫后進(jìn)行RC梁靜載試驗(yàn)，并用1榀對(duì)比梁進(jìn)行加恒定荷載對(duì)比試驗(yàn)。BT1、BT2、BT3的跨中撓度達(dá)到極限狀態(tài)的時(shí)間見表1。

圖2 BT2基頻衰減曲線

表1 達(dá)到正常使用極限狀態(tài)的試驗(yàn)梁所用時(shí)間

圖2 火災(zāi)爐升溫曲線

3 簡(jiǎn)支梁火災(zāi)損傷振動(dòng)特性

安裝振動(dòng)測(cè)量裝置，采集振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行振動(dòng)特性分析。以BT2為例，對(duì)2 h內(nèi)每隔5 min的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行一次傅里葉變換，得到高溫條件下試件的基頻衰減曲線，如圖3所示。

4 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁火災(zāi)損傷識(shí)別

將不同的實(shí)際升溫時(shí)間換算成ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，試驗(yàn)梁BT1、BT2、BT3的等效爆火時(shí)間為110 min，BT4為51 min。對(duì)BT1、BT2、BT3、BT4采用Midas進(jìn)行有限元分析，得到模態(tài)參數(shù)[2]，根據(jù)其頻率測(cè)量值和振型參數(shù)，在規(guī)定受火時(shí)間中建立FA-SVR回歸模型。然后，運(yùn)用MATLAB整理獲得數(shù)據(jù)，從而獲得振型-頻率的組合模態(tài)參數(shù)的構(gòu)造訓(xùn)練樣本。以BT1為例，用簡(jiǎn)支梁振型函數(shù)公式（1）與簡(jiǎn)支梁自振頻率公式（2）計(jì)算出其剛度為6.46×1012N·mm2，得出頻率和振型的組合參數(shù)為（15.1、61.3、0.009、0.8、0.98、0.72、0.009、0.095、0.84、0.39、-0.86、-0.096）[3]。

式中，φn（x）為固有振動(dòng)模態(tài)；n為第n階振型；x為迭代向量；L為梁長(zhǎng)。

式中，ωn為固有振動(dòng)頻率；EI為剛度；m為梁的質(zhì)量。

收集與理論計(jì)算一階和二階相對(duì)應(yīng)的二階（一?。┖腿A（兩?。y(cè)得的頻率和振型結(jié)構(gòu)檢測(cè)樣本，將獲得數(shù)據(jù)輸入FA-SVR回歸模型，判斷著火時(shí)間，并將其與試驗(yàn)的等效受火（高溫）時(shí)間進(jìn)行比較，3榀梁的損傷程度判斷結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 試驗(yàn)梁火災(zāi)后損傷識(shí)別結(jié)果

圖5 試驗(yàn)梁剛度預(yù)測(cè)結(jié)果

圖6 試驗(yàn)梁承載力預(yù)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

該RC梁高溫?fù)p傷程度判斷方法是通過(guò)預(yù)判受火（高溫）時(shí)間，進(jìn)而得到承載力和截面抗彎剛度，從而為后續(xù)的損傷程度評(píng)估提供可靠依據(jù)。通過(guò)測(cè)量高溫后梁的頻率和振型，以及高溫后RC梁的撓度等，得出RC梁在高溫下的振動(dòng)特性，驗(yàn)證了RC梁高溫?fù)p傷程度判斷方法的可靠性。雖然受火（高溫）時(shí)間預(yù)測(cè)值與等效爆火時(shí)間存在一定誤差，但滿足ER、MAC評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求，火災(zāi)后的總體識(shí)別效果較好。