火灾作用下大直径盾构隧道衬砌力学性能和损伤规律研究

发布时间：2020-07-01 10:34

【摘要】：盾构隧道衬砌多为钢筋混凝土预制拼装结构,作为一种不连续超静定结构,在火灾作用下局部受热会产生较大的温度应力,且材料性能容易发生劣化,致使其力学响应变得十分复杂;另外,由于大量接头的存在,容易产生应力集中,使其在高温下较整体式衬砌更易受损。因此,本文以北京地下直径线大直径盾构隧道衬砌环为例,借助原型火灾试验和有限元数值模拟方法,开展了盾构隧道衬砌结构在火灾高温条件下的力学性能和损伤规律研究。本文的主要研究工作和成果如下:(1)从隧道火灾的升温过程和温度的空间分布形式等方面对隧道火灾场景进行了分析,通过比选确定了适宜的火灾升温曲线。针对本文研究的大直径隧道特征定义了非均匀受火(火灾温度在隧道横断面上不均匀分布)和均匀受火(火灾温度在隧道横断面上均匀分布)两种典型火灾场景,提出了不同工况的火灾场景设定和模拟方法,为火灾试验和数值仿真分析提供了指导。(2)基于本文搭建的大直径盾构隧道火灾试验平台,开展了目前国内最大规模的隧道原型火灾试验,研究了隧道衬砌结构在非均匀受火条件下的力学性能和损伤规律。首先,分析了受火过程中衬砌温度以及温度梯度随时间和空间的分布规律;然后,结合试验现象分析了隧道衬砌混凝土在火灾作用下的物理损伤形式(爆裂、开裂和脱水)及其发展规律,并从能量的角度解释了衬砌混凝土高温爆裂的机理;最后,分析了受火过程中隧道衬砌结构的变形规律,并通过极限破坏试验,对盾构隧道衬砌结构的灾后剩余承载力和破坏形式进行了阐述和分析。(3)建立了考虑衬砌材料高温开裂和压碎特性的盾构隧道衬砌结构热-力耦合三维有限元模型,通过与火灾试验结果进行对比分析,研究了隧道衬砌结构在不同火灾工况作用下的温度分布规律和变形(径向和接头)规律。此外,重点研究了不同火灾工况作用过程中隧道衬砌受力状态(截面应力、内力和偏心距)的变化规律,并据此给出了不同规模火灾对应的隧道衬砌危险截面。上述研究有助于正确地评估盾构隧道衬砌结构在火灾作用下的工作状态和火灾作用后的损伤程度,能够为今后的隧道火灾安全设计与评估提供一定的依据和参考。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.43
【图文】：

升温曲线,火灾

火灾升温曲线是火源最高温度随火灾时间的变化历程，它可以反映火灾的升逡逑温速率、最高温度以及火灾持续时间，有的升温曲线还包含火灾的降温过程。目逡逑前，国内外学者通过大量理论和试验研究，建立了如图２－１所示的一系列常用火逡逑灾升温曲线。逡逑１４逡逑

示意图,火场,示意图,火灾曲线

上会形成均匀的温度场，根据前节介绍，这种隧道均匀受火场景的特点是升温速逡逑度快，最高温度高，且在隧道横断面上均匀分布，根据其特点本文选择文献［６３］逡逑提出的基准火灾曲线作为均匀火场的升温曲线，并认为同一时刻在如图２－２所示逡逑的隧道横断面上各点的温度分布都相同，且都等于火灾曲线在相应时刻的温度。逡逑Ｐ－Ｉ逡逑图２－２均匀受火场景示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ａ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｕｎｉｆｏｒｍ邋ｆｉｒｅ邋ｓｃｅｎｅ逡逑１７逡逑

【参考文献】