地铁隧道火灾温度场分布及基于热力耦合的结构损伤研究

发布时间：2017-07-07 20:24

  本文关键词：地铁隧道火灾温度场分布及基于热力耦合的结构损伤研究

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【摘要】：随着我国经济的快速发展,交通事业也呈现一片繁荣景象,越来越多的地铁、隧道出现在了人们的生活当中。火灾是地铁使用时需加以注意的重大问题,由于区间深埋于地下,一旦发生火灾,大量的烟和热不易排出,造成区间内的温度急剧升高,严重影响人员安全疏散和结构稳定性。目前,在地铁隧道火灾领域,已有很多国内外学者展开了相关研究,针对其研究现状和存在不足,本文在如下几个方面进行了研究:通过对混凝土试块进行高温特性实验,得到了混凝土相关力学特性。开展了C30混凝土试块高温烧蚀实验,发现混凝土随着经历温度的不断升高,表面颜色也经历了由青灰色向浅青灰、粉红以及浅黄色的变化过程,同时试块表面的裂缝也逐渐加深加宽,并伴随着爆裂、脱落现象;混凝土经历的温度越高,残余抗压强度以及抗拉强度就越低,且抗拉强度的折减要比抗压强度大很多。当温度为400℃和600℃时,混凝土的残余抗拉强度只为常温时的36%和27%左右,当温度达到800℃及以上时,混凝土基本丧失承载力。通过关联Heskestad顶棚温度分布模型、Ingason拱顶下方最高温升模型以及Alpert无烟气积聚时的最高温升模型等几种经典温升模型,并结合模型实验进行分析,提出了拱形地铁隧道拱顶下方的最高温升模型;通过模型实验以及总结前人研究成果,发现拱顶下方温度沿纵向大致呈幂指数衰减分布,继而将模型实验数据进行无量纲化处理,得到了地铁隧道的纵向温度分布模型;通过模型实验研究,发现地铁火灾时火源截面内拱顶温度最高,拱底次之,拱腰最低,根据各部位的温升特点,将横截面分为辐射区以及对流区分别进行研究,继而提出了相应的温度分布模型。通过实验验证了Simtec大涡模拟技术预测地铁隧道非均匀温度场的正确性,然后借助大涡模拟技术,对全尺寸地铁隧道火灾进行了数值模拟研究,对实验结果进行进一步分析、论证,最后提出更为精确的温度分布模型。通过ANSYS数值模拟分析,提出了地铁隧道衬砌结构非均匀受火下整体稳定性评估方法。将地铁隧道火灾非均匀温度场加载到ANSYS有限元模型上,实现结构应力与非均匀温度场的耦合分析,该方法克服了传统研究中采用标准曲线对衬砌进行均匀升温的缺陷,能够准确反映出真实火灾温度场下衬砌结构内应力和位移的变化情况。结果表明:因受混凝土高温劣化、热膨胀影响,衬砌结构拱顶及拱腰部位的应力大幅增加,容易造成结构失稳;同时由于混凝土具有比热容大、导热系数小等热惰性质,导致衬砌表面的升温速度较快,而沿厚度方向的升温趋势则逐渐减弱;隧道衬砌在火灾过程中的位移大都在毫米级别,对衬砌结构的稳定性影响较小。
【关键词】：地铁隧道 非均匀温度场 热力耦合 模型实验 数值模拟
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U231.96;U458
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 变量注释表16-18
• 1 绪论18-27
• 1.1 研究背景和意义18-19
• 1.2 地铁区间火灾发生的原因及特点19-21
• 1.3 国内外研究现状21-25
• 1.4 研究内容及方法25-26
• 1.5 技术路线26-27
• 2 衬砌混凝土高温特性实验研究27-34
• 2.1 引言27
• 2.2 衬砌混凝土高温烧蚀分析27-29
• 2.3 衬砌混凝土高温后力学性能分析29-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 地铁隧道火灾非均匀温度场实验研究34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 地铁隧道火灾模型实验理论基础34-36
• 3.3 实验方案36-42
• 3.4 拱顶下方最高温度42-44
• 3.5 隧道拱顶下方纵向温度分布44-45
• 3.6 隧道火区内横向温度分布45-49
• 3.7 本章小结49-51
• 4 地铁隧道非均匀温度场数值模拟与实验对比51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 SIMTEC模拟技术51-52
• 4.3 火灾非均匀温度场数值模拟52-61
• 4.4 本章小结61-63
• 5 非均匀受火隧道衬砌结构热力损伤分析63-74
• 5.1 引言63
• 5.2 ANSYS软件介绍63-64
• 5.3 计算模型建立64-68
• 5.4 模拟结果与分析68-73
• 5.5 本章小结73-74
• 6 结论与展望74-76
• 6.1 本文结论74-75
• 6.2 本文主要创新点75
• 6.3 研究展望75-76
• 参考文献76-80
• 作者简历80-82
• 学位论文数据集82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王明年,杨其新,袁雪戡,杨忠;公路隧道火灾温度场的分布规律研究[J];地下空间;2003年03期

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本文编号：531723