王德海，劉承鑫，宋杰平

(青建集團(tuán)股份公司，山東 青島 266071)

0 引言

大量數(shù)據(jù)表明，火災(zāi)不僅會(huì)造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失，且損傷建筑結(jié)構(gòu)[1]。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)處于高溫環(huán)境中，材料性能劣化，安全性降低，不確定性因素增加。同時(shí)，火災(zāi)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷無(wú)明顯規(guī)律性，使損傷識(shí)別研究難度較大，且現(xiàn)有識(shí)別方法未形成體系，應(yīng)用范圍具有局限性[2-3]。向天宇等[4]通過(guò)有限元模型修正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)梁損傷識(shí)別；陳俊杰等[5]將3跨連續(xù)梁損傷指標(biāo)定義為結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)損傷剛度變化與撓度差值曲線的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到不同損傷工況下的連續(xù)梁損傷信息；胡俊亮等[6]以3跨連續(xù)梁為研究對(duì)象，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中，對(duì)連續(xù)梁有限元模型進(jìn)行了修正；Bulut等[7]依托Humboldt海峽大橋，采用基于支持向量機(jī)與小波分析的識(shí)別方法，研究了結(jié)構(gòu)損傷程度；劉才瑋等[8-9]和劉承鑫[10]以鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁為研究對(duì)象，利用支持向量機(jī)構(gòu)造訓(xùn)練樣本，進(jìn)行損傷程度識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器算法在火災(zāi)損傷識(shí)別中的應(yīng)用。

基于現(xiàn)有損傷識(shí)別方法，本文提出3跨鋼筋混凝土連續(xù)梁火災(zāi)損傷定性識(shí)別方法，通過(guò)對(duì)理論計(jì)算值施加5%的白噪聲確定試驗(yàn)值，驗(yàn)證方法可行性，為多跨連續(xù)梁損傷識(shí)別奠定理論基礎(chǔ)。

1 火災(zāi)損傷數(shù)值模擬

1.1 模型建立

采用ANSYS軟件建立3跨鋼筋混凝土連續(xù)梁模型，尺寸為9 000mm×250mm×400mm(長(zhǎng)×寬×高)，配筋如圖1所示?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C35，斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)為5.67×10-8W/(m2·K4)，對(duì)流換熱系數(shù)為25W/(m2·℃)。各支座豎向剛度為8.2×109N/m。建模時(shí)不考慮裂縫的影響，假設(shè)梁底面及側(cè)面受火。初始材料參數(shù)如表1所示。

圖1 3跨連續(xù)梁配筋

表1 初始材料參數(shù)

3跨連續(xù)梁為多跨連續(xù)梁的簡(jiǎn)化模型，對(duì)其進(jìn)行研究具有一定意義，火災(zāi)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)具有影響。結(jié)構(gòu)頻率為全局變量，可有效反映結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)。通過(guò)引入振型，使局部損傷信號(hào)明顯。

1.2 受火工況分類

將3跨連續(xù)梁所有受火工況進(jìn)行分類，如表2所示。

表2 3跨連續(xù)梁受火工況

2 計(jì)算結(jié)果分析

中跨受火時(shí)連續(xù)梁溫度云圖如圖2所示。由圖2可知，連續(xù)梁相鄰跨之間傳熱效果不明顯，這是由于混凝土為熱惰性材料，對(duì)溫度不敏感，而鋼筋由于受混凝土的有效保護(hù)，受熱傳遞的影響較小，相鄰跨熱傳遞影響范圍僅為30cm，可忽略不計(jì)。

圖2 3跨連續(xù)梁溫度云圖(單位：℃)

基于火災(zāi)特殊性，為保證實(shí)際可操作性，對(duì)前四階振型和頻率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，前四階頻率分別為68.5，88.7，116.1，144.3Hz。

圖3 3跨連續(xù)梁前四階振型

3 定性識(shí)別方法

3跨連續(xù)梁火災(zāi)損傷定性識(shí)別流程如圖4所示，首先對(duì)受火工況進(jìn)行分類，利用支持向量機(jī)分類功能，以振型、頻率組合參數(shù)A為依據(jù)，構(gòu)建輸入矩陣，以工況種類N為輸出，利用分類算法將每類工況下的損傷概率化，可有效確定損傷發(fā)生位置[8-10]；然后構(gòu)建回歸算法，形成特定工況下?lián)p傷程度回歸檢測(cè)模型，以振型、頻率組合參數(shù)A為依據(jù)，構(gòu)建輸入矩陣，以受火時(shí)間T為輸出，得到該模型受火時(shí)間預(yù)測(cè)值。

圖4 3跨連續(xù)梁火災(zāi)損傷定性識(shí)別流程

4 識(shí)別方法精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的定性識(shí)別方法精度，每種工況選取3個(gè)樣本，通過(guò)對(duì)理論計(jì)算值施加5%的白噪聲確定試驗(yàn)值。驗(yàn)證結(jié)果如表3，4所示。由表3，4可知，本文提出的方法識(shí)別精度高，可準(zhǔn)確判斷梁跨受損位置及程度，可應(yīng)用于實(shí)際工程中。

表3 3跨連續(xù)梁火災(zāi)下?lián)p傷定性識(shí)別結(jié)果

以簡(jiǎn)支梁火災(zāi)損傷定性識(shí)別方法為基礎(chǔ)，本文利用支持向量機(jī)分類功能，考慮了多工況的復(fù)雜性，提出的識(shí)別方法正確率較高，證明了支持向量機(jī)具有良好的魯棒性及可靠性。

表4 3跨連續(xù)梁火災(zāi)后損傷定性識(shí)別結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于動(dòng)力參數(shù)提出了3跨連續(xù)梁火災(zāi)損傷定性識(shí)別方法，采用機(jī)器算法解決回歸預(yù)測(cè)問(wèn)題，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，識(shí)別精度較高，證明了支持向量機(jī)具有良好的魯棒性及可靠性，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷簡(jiǎn)化識(shí)別具有重要意義。由于利用支持向量機(jī)的分類、回歸算法，將機(jī)器學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別進(jìn)行了有機(jī)統(tǒng)一，對(duì)于評(píng)定建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷具有重要工程意義。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)方法的進(jìn)步，需進(jìn)一步研究建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷定性識(shí)別方法。建筑結(jié)構(gòu)損傷程度屬于連續(xù)性問(wèn)題，不可將所有問(wèn)題簡(jiǎn)化，且特征向量構(gòu)造方式較單一，需擴(kuò)大預(yù)測(cè)范圍，并提高局部無(wú)損檢測(cè)精度。