楊志年

（河北聯(lián)合大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009）

0 引 言

建筑火災(zāi)日益頻發(fā)，是各種災(zāi)害中發(fā)生頻率最高的，其所造成的經(jīng)濟(jì)損失也是除旱災(zāi)和水災(zāi)外最大的［1］。鋼筋混凝土板是目前乃至今后相當(dāng)長時期最常用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一，在各類建筑中有著廣泛的應(yīng)用，它作為建筑結(jié)構(gòu)的水平結(jié)構(gòu)體系，在保證建筑結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)的整體剛度方面具有重要作用［2］。鋼筋混凝土板的設(shè)計要考慮很多環(huán)境因素以及災(zāi)害的影響，如腐蝕、惡劣的溫度條件以及火災(zāi)等，火災(zāi)對板的影響是鋼筋混凝土板設(shè)計需重點考慮的因素之一。當(dāng)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生轟燃后，鋼筋混凝土板除自身承受高溫的作用外還要防止火勢蔓延到上一樓層。鋼筋混凝土樓板作為水平承重構(gòu)件還要防止樓層在火災(zāi)時和火災(zāi)后發(fā)生倒塌。因此，樓板的抗火性能對維持火災(zāi)下整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。

聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用始于上個世紀(jì)五十年代，目前為止對混凝土材料的聲發(fā)射特性研究［3］已經(jīng)很多，研究成果也很豐富，聲發(fā)射用于混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的無損檢測技術(shù)也已經(jīng)非常成熟。近年來利用聲發(fā)射技術(shù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷監(jiān)測［4－7］研究也越來越多，但這些研究基本上都是在常溫條件下以單個構(gòu)件為對象的研究，對火災(zāi)條件下整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件聲發(fā)射特性的研究還沒有。根據(jù)聲發(fā)射技術(shù)的特點，本文對火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土雙向板的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，分析了聲發(fā)射特征參數(shù)與板的損傷的關(guān)系。

1 試驗方案

本文試驗所用的聲發(fā)射監(jiān)測裝置是由北京聲華興業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SDAES全波形數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、聲發(fā)射采集板卡、前置信號放大器和傳感器組成。SDAES系統(tǒng)的傳感器型號為SR50A，屬于諧振式傳感器，能夠接收的頻率為22～260kHz，靈敏度峰值大于－65dB。SDAES系統(tǒng)的前置信號放大器為PAI型前置放大器，置于傳感器和信號采集卡之間，具有AST自標(biāo)定、可選帶寬等優(yōu)點，并且自帶磁性夾具和環(huán)氧基樹脂可以對放大器的內(nèi)部電路形成保護(hù)。SDAES系統(tǒng)的采集卡為SDAE－5卡，是一種數(shù)字化聲發(fā)射波形和參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡。

試驗中，考慮到利用聲發(fā)射對火災(zāi)下板裂縫產(chǎn)生位置進(jìn)行定位，在受火板板頂共布置了7個傳感器，每三個不共線的測點構(gòu)成一個等腰三角形，可以實現(xiàn)對裂縫的定位，傳感器的測點布置見圖1。由于火災(zāi)作用下板的開裂等對聲發(fā)射產(chǎn)生影響的因素比較多，所以雖然本試驗考慮了對火災(zāi)下板的裂縫進(jìn)行定位，但實際的定位效果并不理想，這一方向還需進(jìn)一步的深入研究。

圖1 傳感器測點布置（單位：mm）

2 聲發(fā)射參數(shù)分析

利用SDAES聲發(fā)射系統(tǒng)對試驗過程中的波形、定位點、能量、事件數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，本文主要利用事件數(shù)、能量率和聲發(fā)射b值三個參數(shù)對火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)中角區(qū)格板的聲發(fā)射特性進(jìn)行分析。

圖2為各傳感器所測得事件數(shù)與爐溫之間的關(guān)系，由圖可知，當(dāng)爐溫低于600℃時，各測點處事件數(shù)較少，當(dāng)爐溫超過600℃時，各測點處聲發(fā)射信號的事件數(shù)開始顯著增多，此時正是爐體內(nèi)發(fā)生轟燃，板頂主裂縫加快擴(kuò)展，板平面外位移顯著增加的階段?？梢钥闯?，位于板兩個內(nèi)板邊的1測點和3測點處聲發(fā)射事件數(shù)明顯多于其它測點，這是因為試驗過程中，在靠近兩個內(nèi)板邊的位置產(chǎn)生了兩條主裂縫，主裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展能引起大量的聲發(fā)射信號。由此可知，火災(zāi)中聲發(fā)射的事件數(shù)可以很好地反映出板的活動性，事件數(shù)顯著增加的時間對應(yīng)板主裂縫的產(chǎn)生或快速發(fā)展的時期，事件數(shù)明顯多于其它測點的測點所在位置靠近主裂縫所在的位置。

能量率隨時間的變化見圖3，可以看出，試驗早期，隨著爐溫的升高，混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力隨之增大，導(dǎo)致微裂縫的不斷產(chǎn)生，裂縫開裂時，會釋放出較強(qiáng)的能量，因此各測點處能量率較高。100min之后，能量率的增長更加顯著，各測點分別在不同的時間點上出現(xiàn)了能量峰值，此時爐溫已經(jīng)達(dá)到600℃，正是板頂主裂縫迅速擴(kuò)展，平面外位移顯著增長的時期。100min是受火板的兩個外板邊處面內(nèi)位移由向外膨脹轉(zhuǎn)為向內(nèi)收縮的時刻，這說明此時由于板頂主裂縫的加速發(fā)展，導(dǎo)致板的平面外位移快速增長，引起外板邊向內(nèi)收縮。因此，100～150min時為板在火災(zāi)下主裂縫顯著發(fā)展，力學(xué)行為容易發(fā)生突變的時期，對應(yīng)著能量的急劇大量釋放，是板的火災(zāi)下行為發(fā)展的重要階段。150min后，板頂沒有新裂縫的產(chǎn)生，板的混凝土和鋼筋力學(xué)性能在高溫下大幅衰減，能量率明顯降低。

試驗過程中，b值隨時間的變化見圖4，可以看出，100min以前，b值的大小較為穩(wěn)定，此時是裂縫穩(wěn)定開展的時期。100min之后，b值曲線出現(xiàn)突然下降段，b值迅速減小，這一階段是板的主裂縫急劇擴(kuò)展時期，板的損傷程度較大。150min以后，由于板已經(jīng)不再有新的裂縫產(chǎn)生，活動性變?nèi)?，并且高溫?dǎo)致板內(nèi)混凝土和鋼筋的材料性能弱化，即使出現(xiàn)新的微小裂縫或者已有裂縫擴(kuò)展，板的損傷幅度較之前明顯變小，因此b值開始逐漸升高。

綜合三個參數(shù)的分析可知，事件數(shù)、能量率和b值對火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)中角區(qū)格板的監(jiān)測結(jié)果可分為三個階段，第一個階段為點火后至100min之間，此時爐溫低于600℃，裂縫處于早期開展階段，板的平面外及平面內(nèi)位移變化較為平緩，因此事件數(shù)較少，能量率與b值均處于中等水平。第二個階段為100～150min之間，此時爐溫超過600℃，板頂主裂縫開始迅速擴(kuò)展，平面外位移急劇增長，板的外板邊處平面內(nèi)位移開始由向外膨脹轉(zhuǎn)為向內(nèi)收縮，板的活動性明顯加強(qiáng)，因此聲發(fā)射事件數(shù)開始顯著增加，能量率明顯變大，b值則不斷減小，此階段是一個各參數(shù)產(chǎn)生突變的階段，表征著結(jié)構(gòu)很可能會出現(xiàn)破壞，所以也是最重要的階段。第三階段為150min之后，此時板面上基本沒有新的明顯裂縫產(chǎn)生，混凝土和鋼筋的力學(xué)性能也已較受火前下降很多，因此能量率開始逐漸下降，b值開始逐漸增大。

圖2 事件數(shù)隨爐溫變化

圖3 能量率變化

圖4 b值變化

3 結(jié) 語

本文利用事件數(shù)、能量率和聲發(fā)射b值三個主要特征參數(shù)對火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土雙向板的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土雙向板的聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果可以將板的火災(zāi)下行為分為三個階段，第一階段為裂縫早期開展階段，此階段板的平面外及平面內(nèi)位移變化較為平緩，因此事件數(shù)較少，能量率與b值均處于中等水平。第二個階段為板頂裂縫集中產(chǎn)生，主裂縫迅速擴(kuò)展階段，此階段平面外位移急劇增長，聲發(fā)射事件數(shù)開始顯著增加，能量率明顯變大，b值則不斷減小。第三階段為高溫下裂縫緩慢擴(kuò)展階段，此階段板面上沒有新的明顯裂縫產(chǎn)生，混凝土和鋼筋的力學(xué)性能也已較受火前下降很多，因此能量率開始逐漸下降，b值開始逐漸增大。

（2）火災(zāi)下板的聲發(fā)射參數(shù)產(chǎn)生突變的階段，如能量率突然升高，b值突然下降等，是板的損傷最為嚴(yán)重，火災(zāi)行為發(fā)展最重要的階段，表征著結(jié)構(gòu)很可能會出現(xiàn)破壞。所以通過對板的能量率和b值等聲發(fā)射參數(shù)的監(jiān)測，可以為火災(zāi)下板的破壞提供早期預(yù)警。

（3）雖然試驗中考慮了對火災(zāi)下板的裂縫進(jìn)行定位，但實際的定位效果并不理想，因此對于此方向還需進(jìn)一步的深入研究。

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