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

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。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究的背景和意义

1．2国内外研究的现状

1．2．1钢筋混凝土材料的高温性能

1．2．2火灾作用下隧道的温度场分布规律

1．2．3 火灾作用下隧道衬砌力学性能

1．2．4研究现状总结

1．3主要研究内容和方法

2隧道火灾场景设计

2．1火灾升温曲线

2．1．1火灾升温速率

2．1．2火灾最高温度

2．1．3最高温度持续时间

2．1．4常用火灾升温曲线

2．2火灾温度的空间分布形式

2．2．1 隧道纵向的温度分布

2．2．2隧道横向的温度分布

2．3 大直径隧道的两种典型火灾场景

2．3．1非均匀受火场景

2．3．2均匀受火场景

2．4本章小结

3 大直径盾构隧道衬砌结构体系原型火灾试验

3．1隧道原型火灾试验平台

3．1．1试验管片参数

3．1．2试验加载系统

3．1．3数据监测系统

3．1．4平台搭建流程

3．2试验荷载工况

3．2．1地层水土压力荷载

3．2．2火灾荷载和温度边界

3．3隧道衬砌的温度分布规律

3．3．1衬砌径向温度分布规律

3．3．2衬砌环向温度分布规律

3．4隧道衬砌在火灾作用下的物理损伤

3．4．1衬砌表面混凝土爆裂

3．4．2衬砌混凝土高温脱水

3．4．3隧道衬砌高温开裂

3．5隧道衬砌结构在火灾作用下的变形规律

3．6衬砌结构在火灾作用后的极限破坏形式

3．7本章小结

4大直径盾构隧道衬砌结构热-力耦合数值分析

4．1．1 热-力耦合分析的原理和方法

4．1．2基本假设

4．1．3衬砌材料的热力学参数

4．1．4模型建立

4．1．5边界条件

4．1．6火灾工况

4．2不同火灾工况作用下衬砌温度分布规律

4．2．1 温度随火灾时间的变化规律

4．2．2衬砌环向温度分布规律

4．2．3衬砌径向温度分布规律

4．3不同火灾工况作用下衬砌应力状态变化规律

4．4不同火灾工况作用下衬砌结构内力重分布规律

4．4．1弯矩变化规律

4．4．2轴力变化规律

4．4．3截面偏心距的变化规律

4．5不同火灾工况作用下衬砌结构的变形规律

4．5．1 衬砌环径向变形规律

4．5．2衬砌接头变形规律

4．6本章小结

5．1本文主要结论

5．2未来工作建议

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集