2.火灾作用下隧道衬砌结构力学响应及稳定性研究-刘元雪-1

刘元雪后勤工程学院内容提要一、研究背景及意义二混凝土高温力学性能劣化分析四、结论三火灾作用下隧道衬砌结构力学响应一、研究背景及意义近年来，随着隧道数量的增加，交通流量的增大，隧道火灾事故频发。隧道火灾具有升温速度快、温度高、持续时间长等特点，一旦发生，往往会引起衬砌材料力学性能的高温劣化，造成隧道结构承载能力的降低和稳定性的下降，威胁隧道的运营安全。因而开展火灾作用下的隧道结构稳定性的研究，具有重要的理论意义与工程实用价值。1混凝土在高温作用下的微观变化综合考虑高温作用下混凝土内部水分的蒸发与冷凝，胶结材料的水化及脱水，溶解气的溶解与挥发等相变行为，建立了描述混凝土在火灾等高温作用下材料内部微观物理化学行为的控制方程。()()DmDtvw（1）质量守恒方程：（2）能量守恒方程：()pHDTChRHmDtq（3）动量守恒方程：ˆ0σgp二混凝土高温力学性能劣化分析根据三个宏观平衡方程及相应的状态方程和本构方程，通过推导可以得到包含四个未知量（固体骨架位移，气压力，毛细压力和温度）的控制方程表达式。11(1)110sshwvshsshwvhwvwvwvvwggpSSnTnmKttSmnnSnSSStttvwwJ11(1)1110sshashsshpwawaaaawwggapSSnTnmKttSnSSnttSSwJwJv2、混凝土高温力学性能劣化分析模型混凝土在高温作用下的力学性能劣化，主要与混凝土中硬化水泥浆及骨料在高温作用下的物理化学变化有关，包括水化物的高温脱水和骨料性能的高温退化等。水化物高温脱水分解过程的热动力模型：1expexp()iiiEkftRT其中：()1expftABt其中下表i代表水化物中的水化硅酸钙和氢氧化钙。名称脱水分解活化能指数前因子参数A参数BCSH42KJ/mol1.651062.161046.3910-5CH155KJ/mol1.2510-2036912150.00.20.40.60.81.0脱水度恒温持续时间/h温度400℃温度600℃温度700℃温度800℃温度1000℃0200400600800100012000.00.20.40.60.81.0脱水度恒温持续时间/h水化硅酸钙氢氧化钙水化硅酸钙脱水度曲线不同温度下水化物脱水度曲线（t=6h）水化物脱水热动力模型参数根据水化物中水化硅酸钙和氢氧化钙的体积分数和其对硬化水泥浆胶结能力的贡献，在不考虑脱水后水化物粘结能力时，可以近似得到硬化水泥浆高温性能劣化参数为：CSHCSHCHCHCSHCHc骨料材料性能的高温劣化是由内部晶体结构的软化及颗粒间变形不协调产生的微裂纹等原因引起的，与水化物的脱水过程相比可以近似认为是瞬时发生，即骨料的劣化规律仅与材料所受最高温度的大小有关，则骨料高温性能劣化参数取一简单形式为：21expgT混凝土强度变化主要受硬化水泥浆高温性能劣化参数的控制，对于结构相，不考虑混凝土高温劣化参数对结构相损伤耗能参数的影响。对于损伤相，粘聚力和内摩擦角等强度参数可以表示为：混凝土的变形参数受硬化水泥浆和骨料劣化参数的共同作用，将骨料视为不同尺寸球体随机的分布在硬化水泥浆中，则高温作用后结构相和损伤相的弹性模量可表示为：ˆ1ˆarctan1tanccccˆ1ˆ1ncndcdEEEE三火灾作用下隧道衬砌结构力学响应1隧道标准火灾曲线根据对隧道火灾升温速率、最高温度以及持续时间等火灾构成要素的分析，建立了适用于公路隧道的标准火灾曲线。0306090120150030060090012001500降温阶段降温阶段6544432温度/oC时间/min1ISO8342HC3RWS4RABT/ZTV5HCinc6Runehamar降温阶段1现有标准火灾曲线火灾其中火灾升温速率为120℃/min，降温速率为12℃/min，最高温度根据不同火源类型分别为800℃、1000℃和1200℃，持续时间根据计算所选工况分别取1小时、3小时、6小时等等。修正火灾曲线0306090120150020040060080010001200降温阶段降温阶段降温阶段温度/℃时间/min火源类型Ⅰ火源类型Ⅱ火源类型Ⅲ2高温分析模型与参数计算模型选取上海某区间盾构隧道工程，隧道外径6.2m，内径5.5m；衬砌管片宽度1.2m，厚度0.35m；模型计算区域横向100m，竖向50m，纵向取1m，隧道埋深19.4m，具体材料参数如下表所示：名称密度Kg/m3体积模量MPa剪切模量MPa粘聚力kPa内摩擦角°压剪损伤参数张拉损伤参数砼结构相2400100109100——300000120000砼损伤相240050054550400036.0——地层土体18001.393.641613.5——材料力学参数表FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep36989ModelPerspective21:33:18MonMay282012Center:X:0.000e+000Y:1.000e-001Z:-2.325e+000Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:2.465e+002Mag.:1Ang.:22.500BlockGroupoutsiderock2concreteliningsyconcreteliningxyoutsiderock1outsiderock3模型单元网格划分3衬砌结构初始受力状态支护后围岩应力场地层原始自重应力场FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep11705ModelPerspective20:08:31ThuOct132011Center:X:0.000e+000Y:1.000e-001Z:-2.325e+000Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:2.465e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-8.9247e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-3.0000e+005-3.0000e+005to-2.0000e+005-2.0000e+005to-1.0000e+005-1.0000e+005to0.0000e+0000.0000e+000to2.1128e+001Interval=1.0e+005FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep57570ModelPerspective20:11:07ThuOct132011Center:X:0.000e+000Y:1.000e-001Z:-2.325e+000Rotation:X:0.000Y:0.000Z:0.000Dist:2.465e+002Mag.:1Ang.:22.500ContourofSZZMagfac=0.000e+000GradientCalculation-8.9396e+005to-8.0000e+005-8.0000e+005to-7.0000e+005-7.0000e+005to-6.0000e+005-6.0000e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-3.0000e+005-3.0000e+005to-2.0000e+005-2.0000e+005to-1.0000e+005-1.0000e+005to0.0000e+0000.0000e+000to1.1860e+002Interval=1.0e+005原始地层自重应力场相比可以看出，盾构隧道对原始地层应力扰动较小。衬砌结构初始竖向应力衬砌结构初始水平应力从衬砌结构内部水平应力和竖向应力的计算结果可以得到，水平向最大压应力出现在拱顶和拱底的外侧，最大值为12.6MPa，水平向最大拉应力出现在拱顶和拱底的内侧，最大值为5.7MPa；竖向最大压应力出现在隧道两侧衬砌的内部，最大值达到14.7MPa，竖向最大拉应力出现在隧道两侧衬砌的外部，最大值为5.4MPa。衬砌结构初始力学损伤衬砌结构初始位移矢量从衬砌结构的位移矢量和力学损伤分布情况来看，在围岩压力作用下衬砌上下两侧变形向内，而左右两侧变形向外，衬砌最大变形绝对值为1.43cm。材料的力学损伤主要发生在拱顶、拱底和两侧变形较大部位，其中隧道两侧变形最大处的损伤已达到0.58，分布在两侧衬砌最外侧的较小范围内。4衬砌内温度及脱水度分布规律衬砌结构内脱水度分布（1000℃，6h）衬砌结构内温度分布（1000℃，6h）通过计算，得到了火灾最高温度1000℃，持续时间为1h、3h、6h、10h和15h这五种情况下衬砌内部温度和脱水度的分布情况。衬砌结构内温度和脱水度由受火面向远离受火面方向逐渐减小；由于衬砌结构内表面的脱水度达到了72.9％。由于混凝土的脱水分解过程相对缓慢，与温度分布范围相比混凝土的脱水范围较小。拱顶截面温度分布（1000℃）0.000.050.100.150.200.250.300.3502004006008001000温度/℃距受火面距离/m持续时间1h持续时间3h持续时间6h持续时间10h持续时间15h从最高温度为1000℃时，不同火灾持续时间作用下拱顶衬砌结构厚度方向上的温度分布结果可以看出，随着火灾持续时间的增加，衬砌结构内各点温度不断增加，但增幅不断减小，表明衬砌结构内温度传播过程逐渐由瞬态向稳态过渡。拱顶截面脱水度分布（1000℃）0.000.050.100.150.200.250.300.350.00.20.40.60.81.0脱水度距受火面距离/m持续时间1h持续时间3h持续时间6h持续时间10h持续时间15h衬砌内各点的脱水度随其到受火面的距离增加而减小，相同点的脱水度随火灾持续时间的增加而增大。由于混凝土的高温脱水过程相对缓慢，因而脱水度的增加并不是与温度的增长同步发生，而是有一定的延迟，表明衬砌材料的劣化不仅与其所受最高温度有关，而且与温度作用时间有关。沿衬砌厚度方向上脱水度分布（6h）沿衬砌厚度方向上温度分布（6h）衬砌结构内各点距受火面距离越近，其温度及脱水度受火灾最高温度的影响也就越大，而随着距受火面距离的增加，火灾最高温度对衬砌结构内温度和脱水的分布影响逐渐减小。火灾持续时间6h时，三种隧道火灾最高温度作用下拱顶衬砌结构内温度分布和脱水度的分布情况。0.000.050.100.150.200.250.300.35020040060080010001200温度/℃距受火面距离/m最高温度800℃最高温度1000℃最高温度1200℃0.000.050.100.150.200.250.300.350.00.20.40.60.81.0脱水度距受火面距离/m最高温度800℃最高温度1000℃最高温度1200℃5高温作用下衬砌的应