钢框架结构中钢筋混凝土双向板火灾下的声发射特性

杨志年

（河北联合大学 建筑工程学院，河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009）

0 引 言

建筑火灾日益频发，是各种灾害中发生频率最高的，其所造成的经济损失也是除旱灾和水灾外最大的［1］。钢筋混凝土板是目前乃至今后相当长时期最常用的结构构件之一，在各类建筑中有着广泛的应用，它作为建筑结构的水平结构体系，在保证建筑结构的承载力和结构的整体刚度方面具有重要作用［2］。钢筋混凝土板的设计要考虑很多环境因素以及灾害的影响，如腐蚀、恶劣的温度条件以及火灾等，火灾对板的影响是钢筋混凝土板设计需重点考虑的因素之一。当室内火灾发生轰燃后，钢筋混凝土板除自身承受高温的作用外还要防止火势蔓延到上一楼层。钢筋混凝土楼板作为水平承重构件还要防止楼层在火灾时和火灾后发生倒塌。因此，楼板的抗火性能对维持火灾下整体建筑结构的安全性至关重要。

声发射技术的应用始于上个世纪五十年代，目前为止对混凝土材料的声发射特性研究［3］已经很多，研究成果也很丰富，声发射用于混凝土结构或构件的无损检测技术也已经非常成熟。近年来利用声发射技术对结构构件的损伤监测［4－7］研究也越来越多，但这些研究基本上都是在常温条件下以单个构件为对象的研究，对火灾条件下整体结构中构件声发射特性的研究还没有。根据声发射技术的特点，本文对火灾下整体结构中钢筋混凝土双向板的声发射特性进行了研究，分析了声发射特征参数与板的损伤的关系。

1 试验方案

本文试验所用的声发射监测装置是由北京声华兴业科技有限公司生产的SDAES全波形数字声发射系统，该系统由计算机数据处理系统、声发射采集板卡、前置信号放大器和传感器组成。SDAES系统的传感器型号为SR50A，属于谐振式传感器，能够接收的频率为22～260kHz，灵敏度峰值大于－65dB。SDAES系统的前置信号放大器为PAI型前置放大器，置于传感器和信号采集卡之间，具有AST自标定、可选带宽等优点，并且自带磁性夹具和环氧基树脂可以对放大器的内部电路形成保护。SDAES系统的采集卡为SDAE－5卡，是一种数字化声发射波形和参数数据采集卡。

试验中，考虑到利用声发射对火灾下板裂缝产生位置进行定位，在受火板板顶共布置了7个传感器，每三个不共线的测点构成一个等腰三角形，可以实现对裂缝的定位，传感器的测点布置见图1。由于火灾作用下板的开裂等对声发射产生影响的因素比较多，所以虽然本试验考虑了对火灾下板的裂缝进行定位，但实际的定位效果并不理想，这一方向还需进一步的深入研究。

图1 传感器测点布置（单位：mm）

2 声发射参数分析

利用SDAES声发射系统对试验过程中的波形、定位点、能量、事件数等声发射参数进行监测，本文主要利用事件数、能量率和声发射b值三个参数对火灾下整体结构中角区格板的声发射特性进行分析。

图2为各传感器所测得事件数与炉温之间的关系，由图可知，当炉温低于600℃时，各测点处事件数较少，当炉温超过600℃时，各测点处声发射信号的事件数开始显著增多，此时正是炉体内发生轰燃，板顶主裂缝加快扩展，板平面外位移显著增加的阶段。可以看出，位于板两个内板边的1测点和3测点处声发射事件数明显多于其它测点，这是因为试验过程中，在靠近两个内板边的位置产生了两条主裂缝，主裂缝的产生和发展能引起大量的声发射信号。由此可知，火灾中声发射的事件数可以很好地反映出板的活动性，事件数显著增加的时间对应板主裂缝的产生或快速发展的时期，事件数明显多于其它测点的测点所在位置靠近主裂缝所在的位置。

能量率随时间的变化见图3，可以看出，试验早期，随着炉温的升高，混凝土内部的温度应力随之增大，导致微裂缝的不断产生，裂缝开裂时，会释放出较强的能量，因此各测点处能量率较高。100min之后，能量率的增长更加显著，各测点分别在不同的时间点上出现了能量峰值，此时炉温已经达到600℃，正是板顶主裂缝迅速扩展，平面外位移显著增长的时期。100min是受火板的两个外板边处面内位移由向外膨胀转为向内收缩的时刻，这说明此时由于板顶主裂缝的加速发展，导致板的平面外位移快速增长，引起外板边向内收缩。因此，100～150min时为板在火灾下主裂缝显著发展，力学行为容易发生突变的时期，对应着能量的急剧大量释放，是板的火灾下行为发展的重要阶段。150min后，板顶没有新裂缝的产生，板的混凝土和钢筋力学性能在高温下大幅衰减，能量率明显降低。

试验过程中，b值随时间的变化见图4，可以看出，100min以前，b值的大小较为稳定，此时是裂缝稳定开展的时期。100min之后，b值曲线出现突然下降段，b值迅速减小，这一阶段是板的主裂缝急剧扩展时期，板的损伤程度较大。150min以后，由于板已经不再有新的裂缝产生，活动性变弱，并且高温导致板内混凝土和钢筋的材料性能弱化，即使出现新的微小裂缝或者已有裂缝扩展，板的损伤幅度较之前明显变小，因此b值开始逐渐升高。

综合三个参数的分析可知，事件数、能量率和b值对火灾下整体结构中角区格板的监测结果可分为三个阶段，第一个阶段为点火后至100min之间，此时炉温低于600℃，裂缝处于早期开展阶段，板的平面外及平面内位移变化较为平缓，因此事件数较少，能量率与b值均处于中等水平。第二个阶段为100～150min之间，此时炉温超过600℃，板顶主裂缝开始迅速扩展，平面外位移急剧增长，板的外板边处平面内位移开始由向外膨胀转为向内收缩，板的活动性明显加强，因此声发射事件数开始显著增加，能量率明显变大，b值则不断减小，此阶段是一个各参数产生突变的阶段，表征着结构很可能会出现破坏，所以也是最重要的阶段。第三阶段为150min之后，此时板面上基本没有新的明显裂缝产生，混凝土和钢筋的力学性能也已较受火前下降很多，因此能量率开始逐渐下降，b值开始逐渐增大。

图2 事件数随炉温变化

图3 能量率变化

图4 b值变化

3 结 语

本文利用事件数、能量率和声发射b值三个主要特征参数对火灾下整体结构中钢筋混凝土双向板的声发射特性进行了研究，主要得出以下结论：

（1）火灾下整体结构中钢筋混凝土双向板的声发射监测结果可以将板的火灾下行为分为三个阶段，第一阶段为裂缝早期开展阶段，此阶段板的平面外及平面内位移变化较为平缓，因此事件数较少，能量率与b值均处于中等水平。第二个阶段为板顶裂缝集中产生，主裂缝迅速扩展阶段，此阶段平面外位移急剧增长，声发射事件数开始显著增加，能量率明显变大，b值则不断减小。第三阶段为高温下裂缝缓慢扩展阶段，此阶段板面上没有新的明显裂缝产生，混凝土和钢筋的力学性能也已较受火前下降很多，因此能量率开始逐渐下降，b值开始逐渐增大。

（2）火灾下板的声发射参数产生突变的阶段，如能量率突然升高，b值突然下降等，是板的损伤最为严重，火灾行为发展最重要的阶段，表征着结构很可能会出现破坏。所以通过对板的能量率和b值等声发射参数的监测，可以为火灾下板的破坏提供早期预警。

（3）虽然试验中考虑了对火灾下板的裂缝进行定位，但实际的定位效果并不理想，因此对于此方向还需进一步的深入研究。

［1］李耀庄，唐毓，曾志长.钢筋混凝土结构抗火研究进展与趋势［J］.灾害学，2008，23（1）：102－107.

［2］东南大学，同济大学，天津大学.混凝土结构（中册）：混凝土结构与砌体结构设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008：175－177.

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［6］宗金霞.基于声发射技术的钢筋混凝土梁损伤识别研究及数值分析［D］.武汉：武汉理工大学硕士学位论文，2010：36－55.

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