基于动力理论火灾下楼板的损伤识别理论分析及试验研究

【摘要】：楼板作为火灾下受损最严重的构件,动力特性能够很好地被识别和分类。本文基于动力理论确定高温下楼板的损伤区域和损伤程度。随着楼板动力特性的改变,疏散人群与其共振成为可能。将生物力学与工程结构结合,分析人群激励下楼板的动力响应。本文通过理论分析和试验方式进行研究,主要工作和结论包括四个方面:1.火灾下楼板在平行于中面的任意截面中各个方向材料性能相同,可假设楼板为横观各向同性体;由于温度场的不均匀性和损伤深度的增加,中性轴位置随受火时间上移。火灾下楼板振动相对于普通平板存在以上两个特点,可依据经典薄板理论推导火灾下楼板振动微分方程。结果表明:(1)横观各向同性体振动应采用厚板理论,计入剪切变形、挤压变形和转动惯性力矩的影响。但实际楼板不属于厚板范畴,上述因素对振动特性的影响可以忽略,因此振动微分方程和解析式同经典理论;(2)中性轴的偏移使板内应力分布发生变化,需考虑中性轴偏移量Z0的影响。最终推导得振动微分方程和解析式的形式同经典理论,刚度项中计入偏移量Z0产生的附加刚度。2.楼板刚度是关于弹性模量和厚度的函数,将一维热传导解代入到刚度表达式,沿板厚方向对刚度项积分,进而将其转化为时间和空间的函数。板厚不变的情况下刚度项仅与时间有关,继而得到固有频率随时间的演变规律。提出基于等效代换损伤深度评估方法,探讨模态曲率差法判定损伤位置。最后分析计算钢筋和挠曲变形对评价理论的影响。结果表明:(1)平板刚度项分成两部分,一部分为常规平板刚度,另一部分为中性轴偏移造成的刚度附加项。两部分刚度与频率均可转化为以时间为变量的表达式;(2)对于损伤深度和损伤位置的判定均以火灾下刚度项为基础,已知刚度演变规律即可对火灾下楼板损伤进行定量评价;(3)钢筋和挠曲变形的影响分别体现在附加质量,附加刚度和曲率半径上。3.对简支单向板和双向板进行火灾试验,通过实测数据验证理论推导结果的准确性,结果表明:(1)标准升温下,内部温度场符合一维热传导,同时挠曲变形相对板厚较小,满足理论分析前提条件;(2)实测固有频率与理论计算相比没有较大偏差。其中,双向板较单向板吻合程度较好、前30min较后期吻合性较好、配筋少相对配筋多吻合性好;(3)固有频率吻合性可验证刚度计算式符合实际情况,因此以刚度为参数的损伤深度和损伤位置判定方法是可行的。4.火灾下人员疏散可能引起楼板的二次损伤,甚至造成楼板完全破坏。整理相关研究,提出基于同步率的人群荷载频率计算方法,从共振角度来判断楼板的安全性;建立人-构件动力方程,从舒适度和安全性两方面说明人员激励对楼板振动的影响。