大推力-热效应耦合作用热力隧道结构损伤劣化机制多尺度研究

发布时间：2020-08-16 19:12

【摘要】：本文以北京地区33条运营热力管线隧道工程为依托,考虑热力隧道内独有的管道大推力-热效应耦合环境,以三维数值模拟结合现场监测的方式研究了运营期耦合作用下热力隧道衬砌结构的力学响应;然后通过大量现状检测和调查,结合衬砌混凝土的微观结构扫描与元素组成分析,分析了北京热力隧道结构的病害表现及其侵蚀劣化的主要类型,并对现状热力隧道结构的安全可靠度进行了评判;在现状结构安全可靠的基础上,分别以宏观加速劣化试验和细观数值模拟的方式进行了热力隧道衬砌结构碳化侵蚀机制的试验与研究;在锈胀开裂方面,通过理论推导和细观模拟展开了衬砌锈胀开裂机制的宏、细观分析;最后,以损伤劣化研究结果为基础,进行了热力隧道衬砌结构维修寿命预警方法研究。主要研究内容及成果归纳如下:(1)热力隧道内大推力-热效应耦合作用机制研究通过运营热力隧道的工作特征,确立了管道大推力-热效应耦合分析的原理和基本假定,根据室内试验所获力学参数,建立了三维数值模型,对比现场原位监测结果,可发现:距固定支架越远,耦合效应影响越小,且对底板影响最大、拱顶次之、边墙最小;6m范围内的隧道底板受影响较为显著,与支架距离达到12m的断面,其纵向应变变化已衰减至5.5με以内,环向应变3με内。对远离固定支架的衬砌结构而言,耦合效应的影响主要以单一温度场对隧道衬砌结构环向应力应变的形式体现。(2)热力隧道结构现状调查与侵蚀劣化类型的微观判定对遍布北京市区的33条热力隧道进行了历时近2年的系统现状调查,统计分析了北京运营热力隧道的现状特征。结构检测结果表明:固定支架6m范围内出现裂缝数量占裂缝总量的50%左右,其中一半分布在底板上,这也证实了耦合作用分析得出的固定支架附近的隧道底板为薄弱部位的观点。环境条件检测表明:热力隧道内400C～600C范围波动,CO2浓度均值为1200ppm;形成了高温、高二氧化碳浓度的内部环境,加上外部围岩及地下水环境的侵蚀性一般较弱,据此初步判断碳化侵蚀为北京热力隧道的典型侵蚀类型;结合对衬砌混凝土的微观结构与元素(ESEM-EDS)的分析,进一步明确了北京热力隧道衬砌的主要侵蚀类型为碳化侵蚀型,从而确立了混凝土碳化侵蚀及其引发的钢筋锈胀致保护层开裂的过程为热力隧道衬砌结构损伤劣化的主要研究对象。(3)现状热力隧道结构安全可靠度分析评价根据运营期多场耦合作用下热力隧道衬砌结构的力学响应,通过引入华-王点集对一般子集模拟法进行了改进,在精度和效率方面对现状结构安全可靠度计算进行了改良。研究结果表明:车公庄西延线热力隧道结构现状可靠度总体满足工程可靠指标控制要求;计算方法方面,改进方法所得结果的拟合曲线斜率和相关性系数均达到0.98,且时效比最高可达158.8,说明改进方法在热力隧道安全可靠度分析评价中的准确性和高效性较为显著。(4)热力隧道衬砌结构碳化侵蚀机制跨尺度研究在现状安全可靠指标达到承载要求的前提下,针对热力隧道衬砌碳化侵蚀的特点,在宏观层面,考虑热力隧道的温度-应力耦合效应,通过大量室内加速碳化试验,探究了不同温度-应力状态下混凝土的碳化深度分布规律,给出了K7(温度)、K8(应力)修正系数取值表,通过拟合修正龚洛书模型得到了耦合作用的碳化侵蚀模型,工程应用证明了该预测模型能反映北京热力隧道衬砌结构的碳化深度分布规律;从细观尺度剖析了碳化作用机理,采用有限差分法,结合随机圆形骨料和多边形骨料细观模型,给出了获取碳化侵蚀时空分布的数值方法,在细观尺度上研究了骨料位置、含量、形状等因素对混凝土碳化侵蚀的影响,研究结果表明:随机多边形骨料模型在碳化侵蚀细观分析中误差较圆形骨料模型更小;骨料含量的提高对混凝土的抗碳化侵蚀能力有促进作用;骨料位置分布可对混凝土碳化产生巨大的影响,骨料可将原本笔直的碳化锋面扭曲,且导致碳化深度均值落后于最大锋面4mm～6mm之间。最后,细观分析的合理性得到了宏观加速试验的验证。(5)热力隧道衬砌结构锈胀开裂机制宏细观研究混凝土碳化深度达到保护层厚度后,钢筋开始锈蚀。结合弹塑性损伤力学理论,建立了衬砌结构的不均匀锈胀弹塑性损伤开裂理论模型,推导了宏观尺度锈胀开裂过程的解析公式,对比其他学者的试验结果,提出理论模型的合理性得到了有效证明;依据钢筋锈蚀机理,结合热力隧道衬砌的锈蚀电流密度条件,建立了锈胀开裂细观分析模型,研究了20年锈蚀期内,衬砌混凝土试件的锈胀拉裂区的分布、发展以及保护层的形变规律,发现不均匀锈蚀对钢筋混凝土衬砌的影响比均匀锈蚀严重的多。根据细观分析结果,对钢筋保护层厚度设计提出了最小保护层厚度1.5d的建议值;在钢筋间距与保护层厚度合理的前提下,热力隧道衬砌结构的锈蚀寿命一般可维持在15年～20年之间。最后,通过宏、细观锈胀分析结果的对比,发现推导的宏观锈蚀模型在钢筋间距w=150mm时,偏差较小为15.3%,w=60mm时理论模型的应用误差达到42.7%,说明了本文提出的锈蚀理论模型对热力衬砌结构的临界锈蚀深度预测有间距的适用条件。(6)基于状态转移方法的热力隧道维修预警寿命研究考虑到结构自然寿命模型理论性过强、参数复杂繁多、实操性弱的问题,以损伤劣化的宏、细观作用机制为基础,提出了自然寿命模型的简化模型——维修预警寿命模型,采用基于Bayes修正的Markov链预测维修预警寿命,且定义了能反映在役隧道性能的平均状态指标(Average State Index,ASI)。研究表明:华能线隧道服役47年时(2043年),ASI=3.0,结构状态达到维修预警。该线隧道的设计基准期为50年,需提前进行维修准备工作。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU995
【图文】：

技术路线图,浪费问题,总体技术,课题研究

图１－２研究总技术路线图逡?

能谱分析,室内试验,耦合分析,现场监测

团沟通进行前期调查选点工作而后收集相关供热线路的地下结构设计、竣工图纸逡逑及文字资料。逡逑完成前期准备工作后，参照图１－２的研究总技术路线，一方面对选定工点进行逡逑大面积的现场调查与检测试验，包括：衬砌外观调查、渗漏、水质分析、碳化深逡逑度测量、混凝土强度测试、温湿度量测、钢筋分布、钢筋锈蚀情况、裂缝尺寸分逡逑布和状态等。室内试验方面，对采集回的现场试样进行微细观扫描分析，包括ＥＳＥＭ逡逑电镜扫描，ＥＤＳ能谱分析，综合环境调查与分析结果可确定热力地下结构的侵蚀逡逑劣化类型，针对特定的劣化类型，如混凝土碳化，可展开碳化试验考虑应力－温度逡逑的影响，而后进行的混凝土、锈蚀钢筋力学试验也可为数值模拟提供准确的力学逡逑参数，以下图１－３为室内试验的细部流程，为课题研宄的可行性做技术支撑。逡逑混凝土微观结构扫描电镜及元素分析逡逑（ＥＳＥＭ－ＥＤＳ邋分析）逦逦逡逑——＾逦１逦剖面碳化深度测试逡逑逦邋＃对比丨＂％逦，逦ｂ＝＝ｄ逡逑加速碳化试验夺、应力ｉ｜混凝土对照组逦原位混凝土试件ＩＩ逦ｖ单轴抗压强度测试逡逑！逦合逦—逦－合逦—丨邋劈裂抗拉测试逡逑Ｉ逦｜！逦ＶＩ逡逑ｊ邋浇筑同标号混凝土逦采集现状衬砌构件｜逡逑！＿逦逦逦逦＾钢筋抗拉强度测试逡逑锈蚀钢筋试件逦逡逑逦＾有效截面积逡逑ＶＩ逦逦逡逑图１－３室内试验流程逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｆｌｏｗ邋Ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋Ｔｅｓｔ逡逑另一方面

技术路线图,技术路线,热力隧道,大推力

２热力隧道内大推力－热效应耦合作用机制研究逡逑２．１引言逡逑含固定支架的热力隧道断面如图２－１所示，通过运营热力隧道的工作特征确立逡逑了管道大推力－热效应耦合分析的原理和基本假定，结合室内试验结果，以车公庄逡逑西延线热力隧道为背景建立了耦合分析模型，对比现场监测结果，分析了热力隧逡逑道内大推力－热效应耦合作用机制。逦逡逑0！邋0逡逑！ｒ＾４ｉ逦Ｉ邋ｒ＾！逡逑图２－１热力隧道含支架断面示意图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｔｈｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋Ｃｒｏｓｓ邋Ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ邋ｆｉｘｅｄ邋ｂｒａｃｋｅｔｓ邋ｉｎ邋Ｈｅａｔ－Ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ邋Ｔｕｎｎｅｌｓ逡逑本章研究技术路线如图２－２所示。逡逑■逦三维数值模拟逡逑＾逦（邋、逡逑＾邋１逦＼邋Ｃ逦＼热力隧道内大推力－热效应耦合逡逑作用机制逡逑支架应变ｊ逦＼逡逑－逦现场监测逡逑Ｖ逦）逡逑图２－２第二章研宄技术路线逡

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