沉管隧道火灾温度场作用下管节结构三维力学分析

摘要

港珠澳大桥工程是我国首座涉“两岸三地”的世界超级工程，主体工程包括一座跨越伶仃洋航道的海底沉管隧道，是目前世界上最长(5664m)、埋深最深(50m)、规模最大（双向六车道）、单节管节最重(75000T)的海底沉管隧道，也是我国交通建设史上技术最复杂、标准最高的海中隧道工程，设计施工难度在世界范围内首屈一指。
　　港珠澳海底沉管隧道位于水下海床基槽上，结构横向为两孔一管廊单层衬砌，纵向为管节+复合接头的串联式复合体，这些特殊的外部条件与内部构造形式对运营中出现的火灾更为敏感。一旦发生火灾，管节结构与接头均会发生损伤，破坏时难以修复，对结构防水与安全健康服役影响巨大。基于此，本文依托港珠澳大桥工程，针对沉管隧道火灾场景设计、管节结构三维温度场、管节结构与接头高温应力及损伤等方面展开研究，具体内容如下:
　　①港珠澳沉管隧道火灾场景
　　基于沉管隧道的断面特点，通过1∶1足尺寸火灾实验及其数据分析，在参考公路隧道火灾场景的基础上，建立了随时间、空间变化的港珠澳海底沉管隧道的完整火灾场景。
　　②沉管隧道管节结构温度场分布规律
　　通过建立火灾温度场三维数值模型，考虑了不同温度级别(600℃、900℃、1200℃)以及RABT等四种火灾曲线情况，得到了沉管隧道结构内部的温度传播与分布规律。探讨了玻镁防火板对于管节结构的隔热效果，研究结果表明半断面布设防火板的方案能够满足耐火要求。
　　③高温作用下管节结构力学行为
　　在考虑管节（段）之间的接触关系的基础上，通过建立有（无）隔热条件下沉管隧道三维热力耦合模型，得到了两种条件下管节与节段的位移、应力分布规律及损伤深度，并且针对管节接头的几何特点，找到了最大损伤深度位置的规律。
　　④高温作用下接头力学行为
　　通过建立有（无）隔热条件下沉管隧道管节、节段接头分析模型，包括管节接头GINA止水带及两种接头处的传力剪力键，得到了不同升温曲线下管节接头的变形及两种接头的剪力变化规律，并通过计算论证指出了着火侧内墙及顶板位置剪力键受火灾高温影响较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道火灾安全方面的相关标准、规范及导则

1．2．2 国内外开展的隧道火灾研究项目

1．2．3 钢筋混凝土材料火灾高温力学性能

1．2．4 隧道衬砌结构火灾高温下的力学行为

1．2．5 存在的问题

1．3 主要研究内容

1．3．1 依托项目

1．3．2 研究内容及技术路线

第二章 火灾场景设计

2．1 标准火灾场景

2．1．1 火灾场景定义

2．1．2 标准火灾曲线

2．2 1∶1足尺沉管隧道火灾试验

2．2．1 1∶1足尺沉管试验隧道简介

2．2．2 试验工况

2．2．3 监测断面及测点布置

2．2．4 试验结果分析

2．3 基于标准火灾曲线的沉管隧道火灾场景设计

2．3．1 火灾升温曲线的选用

2．3．2 温度横向分布

2．3．3 温度纵向分布

2．4 本章小结

第三章 结构火灾温度场三维数值模拟

3．1 结构温度场分布的理论计算方法

3．1．1 沉管结构热传导微分方程

3．1．2 边界条件和初始条件

3，1．3 几何条件和物理条件

3．2 结构热传导问题的有限元法和ANSYS实现

3．2．1 数值模拟参数的选取

3．2．2 计算工况

3．2．3 模型建立及结果分析

3．3 本章小结

第四章 高温下管节结构三维热力耦合分析

4．1 热弹性力学基础

4．1．1 热应力基本概念

4．1．2 热弹性力学的基本关系式

4．1．3 热弹性力学的有限元分析

4．2 高温下管节结构三维力学数值模拟

4．2．1 计算模型

4．2．2 材料力学参数

4．2．3 弹性抗力系数

4．2．4 荷载组合及荷载值计算

4．2．5 计算结果分析

4．3 本章小结

第五章 高温下沉管隧道接头剪力键力学分析

5．1 剪力键简介

5．2 数值计算结果分析

5．2．1 管节接头剪力键力学分析

5．2．2 节段接头剪力键力学分析

5．2．3 防火板对高温作用下接头剪力键的影响

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文及取得的科研成果