公路隧道火灾后二衬结构损伤程度研究

发布时间：2017-04-28 07:07

  本文关键词：公路隧道火灾后二衬结构损伤程度研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：衬砌结构作为隧道结构受力的重要部分,在交通车辆火灾中的受损程度决定了隧道是否能正常运营。大量公路隧道火灾案例数据表明衬砌结构防火的重要性,因此在大量公路隧道修建的同时,建立公路隧道不同交通车辆火灾下衬砌结构体系的损伤程度评价指标和评价体系对二衬混凝土防火具有指导性重要意义。本文以成渝高速中梁山隧道新建左线为背景项目,主要研究内容包括:(1)隧道不同交通车辆火灾场景模拟的火灾关键参数的确认。(2)利用FDS软件以1:1比例模拟了成渝高速中梁山隧道新建左线隧道ZK5+159.5~ZK5+279.5区间中部不同交通车辆的火灾场景。(3)以衬砌壁面的温度拟合曲线为基础,利用ANSYS软件分析衬砌结构的温度场分布。(4)衬砌混凝土结构在不同交通车辆火灾时的力学行为。(5)不同交通车辆火灾高温时衬砌混凝土的损伤评价分析。在大量公路隧道火灾案例和试验成果基础上,本文取得了以下主要成果:(1)确定轿车、客车和货车三种类型的交通车辆火灾关键参数后,建立了六个火灾工况的火灾场景;得到了隧道不同截面的温度分布,以及拱顶、拱肩壁面的最高温度;并根据温度随时间的变化数据拟合出了六个火灾工况下隧道壁面最高温度点处的升温曲线。(2)将隧道二衬沿厚度方向的热传导简化为一维的瞬态热传导问题后,以升温曲线为荷载作用在二衬表面,得到了六个火灾工况下二衬混凝土内部的温度分布;在没有设置防火板条件下,工况GK05下的拱顶二衬混凝土1cm深处的温度为252.65℃,拱肩二衬混凝土表面温度为232.4℃;工况GK06下的拱顶二衬混凝土1cm深处的温度为363℃,拱肩衬砌混凝土3cm深处处的温度为292.9℃。(3)以隧道二衬混凝土内部的温度场为荷载,计算出二衬混凝土的应力变化及结构变形。在没有设置防火板条件下,工况GK05下拱顶二衬混凝土表面的拉应力为2.587MPa,拱顶二衬混凝土1cm深度处的拉应力为1.698MPa,拱肩二衬混凝土表面的拉应力为1.384MPa;工况GK06下拱顶二衬混凝土表面的拉应力为1.62MPa,拱肩二衬混凝土表面的拉应力为2.419MPa,拱肩二衬混凝土1cm深度处的拉应力为1.71MPa。(4)建立了以二衬混凝土爆裂温度和以二衬应力分布为指标的评价体系,对隧道内轿车、客车和货车发生火灾时二衬结构的损伤程度进行了分析评价。在成渝高速中梁山隧道新建左线隧道ZK5+159.5~ZK5+279.5区间中部,隧道在无防火板隔热措施时,货车在隧道中线位置的30min火灾发展过程中,火源下游4.2m截面拱顶二衬混凝土损伤1cm;货车在隧道左侧道路中线位置的30min火灾发展过程中,火源下游3.6m截面拱顶二衬混凝土损伤1cm,下游4.8m截面拱肩二衬混凝土损伤3cm;当设置10mm防火板隔热措施,货车燃烧且在30min的火灾发展过程中不会对二衬混凝土造成损伤;轿车、客车燃烧且在30min火灾发展过程中,不论隧道有无防火板等防火隔热措施,二衬结构均无损伤。
【关键词】：火灾 公路隧道 损伤 衬砌 交通车辆
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 选题背景11-15
• 1.1.1 公路隧道火灾的危害11-14
• 1.1.2 公路隧道火灾二衬结构损伤研究的意义与重要性14-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 国内外开展的隧道防火研究15-17
• 1.2.2 隧道火灾的场景研究现状17-18
• 1.2.3 隧道衬砌结构火灾下的力学行为研究现状18-19
• 1.2.4 国内外关于隧道火灾的技术标准和规范19-20
• 1.3 目前研究存在的不足20-21
• 1.4 本文的研究内容及方法21-23
• 1.4.1 研究内容21
• 1.4.2 研究方法21-23
• 第二章 公路隧道火灾二衬结构损伤程度理论23-36
• 2.1 传热传质基础理论23-29
• 2.1.1 传热和传质基本概念23
• 2.1.2 傅立叶定律23-25
• 2.1.3 边界条件25-26
• 2.1.4 衬砌结构热传导理论26-29
• 2.2 热应力理论29-35
• 2.2.1 线性热应力概述29
• 2.2.2 热应力的广义胡克定律29-31
• 2.2.3 热弹性力学的平衡微分方程31-32
• 2.2.4 热弹力学的变形连续方程32-33
• 2.2.5 热弹性体的边界条件33
• 2.2.6 热弹性体的平面应力和平面应变问题33-35
• 2.3 本章小结35-36
• 第三章 公路隧道火灾场景模拟36-59
• 3.1 公路隧道火灾关键参数设置36-42
• 3.1.1 火源参数36-39
• 3.1.1.1 火源最高温度36
• 3.1.1.2 火源最大热释放速率36
• 3.1.1.3 火源持续时间36-37
• 3.1.1.4 火源升温曲线37-39
• 3.1.2 隧道受火面粗糙度设置39-40
• 3.1.3 通风风速设置40-42
• 3.1.3.1 公路隧道通风计算理论40-42
• 3.1.3.2 公路隧道火灾的临界风速42
• 3.2 公路隧道火灾场景模拟42-56
• 3.2.1 依托项目43-44
• 3.2.2 火灾场景模型建立44-45
• 3.2.3 不同工况模拟结果与分析45-56
• 3.3 衬砌受火表面升温方程拟合56-57
• 3.4 本章小结57-59
• 第四章 隧道火灾中二衬结构温度场及力学行为分析59-84
• 4.1 二衬结构温度场分布59-69
• 4.1.1 计算参数及模型确定59-62
• 4.1.2 二衬结构温度计算结果及分析62-69
• 4.2 二衬结构力学行为分析69-82
• 4.2.1 二衬结构应力分布70-76
• 4.2.2 二衬结构变形分析76-82
• 4.3 本章小结82-84
• 第五章 衬砌结构火灾下损伤程度分析84-88
• 5.1 火灾高温对衬砌结构的损伤形式及机理84-85
• 5.2 不同火灾工况下衬砌结构损伤分析85-87
• 5.2.1 以衬砌混凝土爆裂温度为评价依据85-86
• 5.2.2 以衬砌内部应力分布为评价依据86-87
• 5.3 本章小结87-88
• 第六章 结论与展望88-90
• 6.1 结论88-89
• 6.2 展望89-90
• 致谢90-91
• 参考文献91-95
• 攻读学位期间发表的论文及取得的科研成果95

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