混凝土T形梁高温下的损伤识别方法研究

马子栋，郭新雨

（中建八局第二建设有限公司，济南 250000）

1 引言

由于混凝土中骨料、水泥等材料的热工性能不同，高温下不同材料间发生的化学作用会导致混凝土力学性能发生变异，使混凝土结构力学性能劣化，稳定性降低。研究高温下钢筋混凝土T形梁的振型，并对简支梁损伤识别方法进行验证有着极其重要的意义。试验通过振动测量装置获得钢筋混凝土梁（RC梁）高温后梁的固有频率并计算振型，根据测得结果计算RC梁的挠度，探究RC梁的振动与承载力的关系，验证RC梁损伤程度判断方法的可靠性，为混凝土结构高温损伤程度推断和改善提供参考依据[1]。

2 高温静载试验

试验设计4榀混凝土强度为C35的HRB400钢筋混凝土T形梁（编号为BT1～BT4）。所有梁长为3.0 m，有效长度为2.8 m，梁两端各留100 mm支撑长度，锚固长度为180 mm。混凝土保护层厚度取30 mm。BT1与BT2分别在正常使用极限状态和不开裂状态下施加14 kN/m与4 kN/m的恒载，并升温120 min；BT3在无荷载的情况下升温120 min；BT4作为对比试件，仅做静载试验。试验梁测温点布置如图1所示。对4榀梁进行不同荷载及高温条件下的振动频率试验。

图1 试验梁测温点布置图

采用水平火灾试验炉进行火灾试验，充分燃烧120 min并采集温度，待火灾炉内温度下降至100℃时停止采集，恢复至室温后将梁吊出炉盖。火灾试验炉升温曲线与ISO834标准升温曲线总体发展趋势基本一致，如图2所示。根据曲线观察RC梁高温后变形程度，测定其承载力，待恢复室温后进行RC梁静载试验，并用1榀对比梁进行加恒定荷载对比试验。BT1、BT2、BT3的跨中挠度达到极限状态的时间见表1。

图2 BT2基频衰减曲线

表1 达到正常使用极限状态的试验梁所用时间

图2 火灾炉升温曲线

3 简支梁火灾损伤振动特性

安装振动测量装置，采集振动信号，进行振动特性分析。以BT2为例，对2 h内每隔5 min的时域信号进行一次傅里叶变换，得到高温条件下试件的基频衰减曲线，如图3所示。

4 基于实测数据的钢筋混凝土简支梁火灾损伤识别

将不同的实际升温时间换算成ISO834标准升温曲线所对应的时间，试验梁BT1、BT2、BT3的等效爆火时间为110 min，BT4为51 min。对BT1、BT2、BT3、BT4采用Midas进行有限元分析，得到模态参数[2]，根据其频率测量值和振型参数，在规定受火时间中建立FA-SVR回归模型。然后，运用MATLAB整理获得数据，从而获得振型-频率的组合模态参数的构造训练样本。以BT1为例，用简支梁振型函数公式（1）与简支梁自振频率公式（2）计算出其刚度为6.46×1012N·mm2，得出频率和振型的组合参数为（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）为固有振动模态；n为第n阶振型；x为迭代向量；L为梁长。

式中，ωn为固有振动频率；EI为刚度；m为梁的质量。

收集与理论计算一阶和二阶相对应的二阶（一弧）和三阶（两弧）测得的频率和振型结构检测样本，将获得数据输入FA-SVR回归模型，判断着火时间，并将其与试验的等效受火（高温）时间进行比较，3榀梁的损伤程度判断结果如图4～图6所示。

图4 试验梁火灾后损伤识别结果

图5 试验梁刚度预测结果

图6 试验梁承载力预测结果

5 结语

该RC梁高温损伤程度判断方法是通过预判受火（高温）时间，进而得到承载力和截面抗弯刚度，从而为后续的损伤程度评估提供可靠依据。通过测量高温后梁的频率和振型，以及高温后RC梁的挠度等，得出RC梁在高温下的振动特性，验证了RC梁高温损伤程度判断方法的可靠性。虽然受火（高温）时间预测值与等效爆火时间存在一定误差，但满足ER、MAC评价指标的要求，火灾后的总体识别效果较好。