混凝土T形梁高溫下的損傷識別方法研究

馬子棟，郭新雨

（中建八局第二建設有限公司，濟南 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生的化學作用會導致混凝土力學性能發生變異，使混凝土結構力學性能劣化，穩定性降低。研究高溫下鋼筋混凝土T形梁的振型，并對簡支梁損傷識別方法進行驗證有著極其重要的意義。試驗通過振動測量裝置獲得鋼筋混凝土梁（RC梁）高溫后梁的固有頻率并計算振型，根據測得結果計算RC梁的撓度，探究RC梁的振動與承載力的關系，驗證RC梁損傷程度判斷方法的可靠性，為混凝土結構高溫損傷程度推斷和改善提供參考依據[1]。

2 高溫靜載試驗

試驗設計4榀混凝土強度為C35的HRB400鋼筋混凝土T形梁（編號為BT1～BT4）。所有梁長為3.0 m，有效長度為2.8 m，梁兩端各留100 mm支撐長度，錨固長度為180 mm。混凝土保護層厚度取30 mm。BT1與BT2分別在正常使用極限狀態和不開裂狀態下施加14 kN/m與4 kN/m的恒載，并升溫120 min；BT3在無荷載的情況下升溫120 min；BT4作為對比試件，僅做靜載試驗。試驗梁測溫點布置如圖1所示。對4榀梁進行不同荷載及高溫條件下的振動頻率試驗。

圖1 試驗梁測溫點布置圖

采用水平火災試驗爐進行火災試驗，充分燃燒120 min并采集溫度，待火災爐內溫度下降至100℃時停止采集，恢復至室溫后將梁吊出爐蓋。火災試驗爐升溫曲線與ISO834標準升溫曲線總體發展趨勢基本一致，如圖2所示。根據曲線觀察RC梁高溫后變形程度，測定其承載力，待恢復室溫后進行RC梁靜載試驗，并用1榀對比梁進行加恒定荷載對比試驗。BT1、BT2、BT3的跨中撓度達到極限狀態的時間見表1。

圖2 BT2基頻衰減曲線

表1 達到正常使用極限狀態的試驗梁所用時間

圖2 火災爐升溫曲線

3 簡支梁火災損傷振動特性

安裝振動測量裝置，采集振動信號，進行振動特性分析。以BT2為例，對2 h內每隔5 min的時域信號進行一次傅里葉變換，得到高溫條件下試件的基頻衰減曲線，如圖3所示。

4 基于實測數據的鋼筋混凝土簡支梁火災損傷識別

將不同的實際升溫時間換算成ISO834標準升溫曲線所對應的時間，試驗梁BT1、BT2、BT3的等效爆火時間為110 min，BT4為51 min。對BT1、BT2、BT3、BT4采用Midas進行有限元分析，得到模態參數[2]，根據其頻率測量值和振型參數，在規定受火時間中建立FA-SVR回歸模型。然后，運用MATLAB整理獲得數據，從而獲得振型-頻率的組合模態參數的構造訓練樣本。以BT1為例，用簡支梁振型函數公式（1）與簡支梁自振頻率公式（2）計算出其剛度為6.46×1012N·mm2，得出頻率和振型的組合參數為（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）為固有振動模態；n為第n階振型；x為迭代向量；L為梁長。

式中，ωn為固有振動頻率；EI為剛度；m為梁的質量。

收集與理論計算一階和二階相對應的二階（一弧）和三階（兩弧）測得的頻率和振型結構檢測樣本，將獲得數據輸入FA-SVR回歸模型，判斷著火時間，并將其與試驗的等效受火（高溫）時間進行比較，3榀梁的損傷程度判斷結果如圖4～圖6所示。

圖4 試驗梁火災后損傷識別結果

圖5 試驗梁剛度預測結果

圖6 試驗梁承載力預測結果

5 結語

該RC梁高溫損傷程度判斷方法是通過預判受火（高溫）時間，進而得到承載力和截面抗彎剛度，從而為后續的損傷程度評估提供可靠依據。通過測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梁在高溫下的振動特性，驗證了RC梁高溫損傷程度判斷方法的可靠性。雖然受火（高溫）時間預測值與等效爆火時間存在一定誤差，但滿足ER、MAC評價指標的要求，火災后的總體識別效果較好。