火災(zāi)下隧道管片爆裂溫度及溫度場(chǎng)的研究?

禚振禮 韓興博

(長(zhǎng)安大學(xué),陜西 西安 710064)

火災(zāi)下隧道管片爆裂溫度及溫度場(chǎng)的研究?

禚振禮 韓興博

(長(zhǎng)安大學(xué),陜西 西安 710064)

爆裂是火災(zāi)高溫下隧道襯砌劣化的常見現(xiàn)象,爆裂的發(fā)生對(duì)襯砌管片內(nèi)部溫度場(chǎng)重分布有較大影響。選定爆裂溫度為400℃、500℃、600℃、700℃以及不考慮爆裂五種工況進(jìn)行模擬,對(duì)比管片火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果,得到了隧道火災(zāi)下襯砌管片爆裂的具體溫度。并以具體工程為例,考慮爆裂計(jì)算了火災(zāi)下襯砌管片的內(nèi)部溫度場(chǎng),分析得到了管片不同位置內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化規(guī)律,以及溫度梯度在管片內(nèi)部的分布規(guī)律,指出了管片防火的重點(diǎn)區(qū)域,對(duì)以后的隧道襯砌防火設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

隧道火災(zāi);管片;爆裂溫度;溫度場(chǎng)

0 引言

隧道火災(zāi)不但發(fā)生頻率很高,而且危害極大,一旦發(fā)生,除了對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失,其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了巨大的損害。

高溫下襯砌管片的內(nèi)部溫度場(chǎng)及爆裂研究方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的主要手段為數(shù)值模擬和模型試驗(yàn):傅宇方[1]研究指出管片受火時(shí)發(fā)生爆裂對(duì)管片的溫度場(chǎng)有很大的影響;Khoury[2]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)混凝土發(fā)生爆裂的溫度大致在250－420℃之間;選擇不同的混凝土材料,段雄偉[3]研究表明,在高溫作用下C25混凝土發(fā)生爆裂的臨界溫度范圍為500－600℃;Khoury[2]和RussellH[4]研究認(rèn)為,影響混凝土爆裂的主要因素有升溫速率、混凝土的密實(shí)性、混凝土的濕度、外加荷載大小等。

火災(zāi)下襯砌管片內(nèi)部溫度場(chǎng)研究方面:同濟(jì)大學(xué)閆治國(guó)[5]通過管片火災(zāi)試驗(yàn)研究了火災(zāi)下管片內(nèi)部溫度分布規(guī)律;中南大學(xué)郭信君[6]也通過火災(zāi)試驗(yàn)得到了襯砌內(nèi)部溫度分布的詳盡數(shù)據(jù);中南大學(xué)徐志勝[7],中南大學(xué)廖仕超[8],同濟(jì)大學(xué)強(qiáng)健[9],武漢理工大學(xué)趙志斌[10]等通過數(shù)值模擬研究了管片內(nèi)部溫度分布,取得了大量研究成果。但是在這些實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中,學(xué)者們均沒有考慮混凝土爆裂對(duì)管片內(nèi)溫度場(chǎng)重分布帶來的影響。

本文基于火災(zāi)下管片襯砌材料熱力學(xué)性能的非線性,并考慮爆裂對(duì)襯砌管片的溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了有限元模擬,對(duì)比管片火災(zāi)試驗(yàn)得到了具體的管片材料的爆裂溫度,并基于爆裂研究了火災(zāi)下襯砌管片的內(nèi)部溫度場(chǎng)規(guī)律。

1 爆裂溫度計(jì)算模擬

中南大學(xué)郭信君[6]通過襯砌管片火災(zāi)試驗(yàn)得到襯砌管片內(nèi)部火災(zāi)下的溫度場(chǎng)分布。本節(jié)根據(jù)其試驗(yàn)中的模型建立數(shù)值模擬的模型,模型采用混凝土材料,構(gòu)件內(nèi)直徑13．3m,外直徑14．5m,角度為38°34′17．14″,徑向厚度0．6m,縱向厚度0．5m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60,實(shí)測(cè)強(qiáng)度62．8MPa。管片火災(zāi)試驗(yàn)中的模型如圖1所示,圖2為數(shù)值模擬所建立的有限元模型。

圖1 管片火災(zāi)試驗(yàn)設(shè)備

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

使用有限元方法,考慮高溫爆裂對(duì)襯砌管片溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬?；馂?zāi)場(chǎng)景選用HC曲線來模擬火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)煙氣溫度,火災(zāi)時(shí)間持續(xù)2h。其溫度隨時(shí)間變化如下式:

式(1)中:T0為起始溫度,t為時(shí)間,單位以min計(jì)。

高溫下混凝土材料的熱力學(xué)性能會(huì)表現(xiàn)出典型的非線性,在常規(guī)的數(shù)值模擬中學(xué)者們一般都采用固定值,這樣數(shù)值模擬結(jié)果的可信度會(huì)大大降低。根據(jù)清華大學(xué)過鎮(zhèn)海,時(shí)旭東[11]等研究,本節(jié)數(shù)值模擬具體參數(shù)如下表1,郭信君火災(zāi)試驗(yàn)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的溫度以及數(shù)值模擬的各爆裂溫度下計(jì)算得的溫度如下表2:

表1 計(jì)算參數(shù)取值表

表2 數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由于試驗(yàn)的誤差以及數(shù)值模擬參數(shù)取值的準(zhǔn)確性,數(shù)值模擬不能與試驗(yàn)結(jié)果精確一致。另外,試驗(yàn)中距受火面5cm和10cm處的測(cè)點(diǎn)在受火過程中早于2h發(fā)生爆裂,而試驗(yàn)中得到的5cm和10cm測(cè)點(diǎn)的結(jié)果記錄時(shí)間早于2h,因此試驗(yàn)溫度會(huì)低于理論計(jì)算溫度。此處不予考慮這兩組數(shù)據(jù),分析其余數(shù)據(jù),各爆裂溫度下計(jì)算的各測(cè)點(diǎn)溫度與試驗(yàn)所測(cè)得的溫度的差值如下圖3。不考慮爆裂計(jì)算的結(jié)果普遍較試驗(yàn)結(jié)果低。

圖3 各爆裂溫度下計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)差值折線圖

按式:S2＝(T試驗(yàn)－T數(shù)值計(jì)算)2計(jì)算得到的各溫度下下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)方差如下:

S2500最小,因此,考慮爆裂溫度為500℃時(shí),數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)真實(shí)結(jié)果擬合度最高,因此推薦500℃為此類材料襯砌管片的爆裂溫度。另外根據(jù)傅宇方[1]研究其指出混凝土材料的爆裂溫度大致在400℃－500℃之間。因此選用500℃為管片的爆裂溫度來計(jì)算后續(xù)整環(huán)管片的溫度場(chǎng)時(shí)與實(shí)際最接近的。

2 基于爆裂的襯砌管片內(nèi)部溫度場(chǎng)

本節(jié)以西安地鐵交通二號(hào)線張家堡——尤家莊區(qū)間隧道為例,管片內(nèi)徑600cm,厚度35cm,火災(zāi)曲線選擇HC曲線,根據(jù)同濟(jì)大學(xué)閆治國(guó)[12]研究,火災(zāi)時(shí)沿管片高度方向的溫度分布線形遞增,如圖4所示,考慮到隧道內(nèi)路面的高度及火源高度,使溫度主要集中在隧道路面以上襯砌之上,計(jì)算公式如下:

式(2)中:H——隧道斷面高度,m;y——斷面任意一點(diǎn)與路面高差,m;Ty——斷面上離路面距離為y處的溫度,℃;TR——路面附近的溫度,℃;TH——斷面拱頂溫度,℃。2．1 不同時(shí)刻管片溫度分布規(guī)律

圖4 溫度在隧道斷面的分布形式

管片中選擇的測(cè)點(diǎn)如圖5所示,不同測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的溫度變化如圖6－8所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖6 拱頂各測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線

圖7 拱腰各測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線

圖8 邊墻各測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)間曲線

由圖5－8可以看出,火災(zāi)發(fā)生后拱頂和拱腰位置受火面上測(cè)點(diǎn)的溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)和HC曲線極為相似。隨著距受火面的距離的加遠(yuǎn)以及測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離拱頂靠近邊墻,溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)近似于線性變化。同時(shí)距受火面距離的加遠(yuǎn),管片內(nèi)部溫度大幅減小。

此外,拱頂表層最高溫度約為1100℃,拱腰處約為970℃,邊墻處約為70℃,隨著拱頂靠向邊墻溫度明顯降低。拱頂附近的溫度明顯高于其他部位,且沿厚度方向受高溫影響范圍更深。隨受火時(shí)間增長(zhǎng),管片受高溫影響范圍從拱頂沿環(huán)向向兩側(cè)逐漸擴(kuò)大,沿厚度方向深度也在加深。但是整體來說溫度在混凝土中的傳遞范圍非常有限,火災(zāi)發(fā)生2h時(shí),襯砌受高溫影響的范圍不到混凝土厚的1/3,混凝土為較為優(yōu)良的熱惰性材料。

2．2 沿襯砌厚度溫度分布規(guī)律

為了研究襯砌沿厚度方向溫度規(guī)律,將管片不同位置各測(cè)點(diǎn)溫度隨測(cè)點(diǎn)距受火面距離的變化曲線繪制如圖9－11。

圖9 拱頂距受火面不同距離各測(cè)點(diǎn)溫度曲線

圖10 拱腰距受火面不同距離各測(cè)點(diǎn)溫度曲線

圖11 邊墻距受火面不同距離各測(cè)點(diǎn)溫度曲線

由圖9－11可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生火災(zāi)時(shí),不論是拱頂、拱腰還是邊墻,管片沿厚度方向的一定區(qū)域內(nèi)存在較大的溫度梯度,在這一區(qū)域中溫度梯度非常明顯。這一區(qū)域大致分布在襯砌內(nèi)表面至厚度5cm的區(qū)域內(nèi)。較大的溫度梯度會(huì)造成混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力,引發(fā)混凝土性能的劣化和爆裂。這一區(qū)域也大致為鋼筋混凝土的保護(hù)層,保護(hù)層的爆裂會(huì)導(dǎo)致鋼筋直接暴露在火焰下,導(dǎo)致鋼筋性能的極速劣化,繼而導(dǎo)致混凝土整體的性能劣化,發(fā)生破壞。因此這一區(qū)域應(yīng)該列為襯砌防火的重點(diǎn)區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)爆裂的發(fā)生對(duì)襯砌管片內(nèi)部溫度場(chǎng)重分布有較大影響,數(shù)值模擬時(shí)可以選定500℃為混凝土開始發(fā)生爆裂的溫度,可計(jì)算得到更準(zhǔn)確的管片內(nèi)部溫度場(chǎng);

(2)襯砌管片內(nèi)部隨厚度加深,以及隨管片遠(yuǎn)離拱頂,溫度隨時(shí)間的增加更近似于線性;

(3)襯砌管片拱頂為火災(zāi)時(shí)受高溫影響最大的部位,并且管片受火面表層0－5cm范圍里的溫度梯度較大,此范圍混凝土性能受高溫劣化最嚴(yán)重,因此拱頂表層為管片防火的重點(diǎn)區(qū)域;

(4)本文考慮的爆裂溫度的間隔為100℃,應(yīng)該縮小步距進(jìn)行模擬計(jì)算,取得更精確爆裂溫度;管片襯砌溫度場(chǎng)模擬分析時(shí)應(yīng)建立三維有限元模型,并考慮隧道沿行車方向的溫度分布。

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10．3969/j．issn．1672－9846．2015．04．020

U45

:A

:1672－9846(2015)04－0077－04

2015－08－22

禚振禮(1991－),男,山東濰坊人,長(zhǎng)安大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)碩士研究生,主要從事橋梁與隧道工程研究。韓興博(1991－),男,陜西寶雞人,長(zhǎng)安大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)碩士研究生,主要從事橋梁與隧道工程研究。