火灾下盾构隧道衬砌结构反应数值分析

摘要:文章利用大型通用有限元程序ANSYS12.0,初步建立起了三维盾构隧道火灾结构反应的数值模拟方法,进行了火灾下盾构隧道衬砌的结构反应计算,分析了衬砌结构的火灾变形性能与受力性能。最后对火灾下的隧道衬砌圆环承载力进行了计算分析,并提出破坏状态的判定。

关键词:盾构隧道;火灾高温;衬砌结构;数值模拟;瞬态热分析

中图分类号:X932文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)25-0032-03

0引言

本文以上海长江隧道为工程背景,利用ANSYS 12.0,进行三维隧道衬砌结构在火灾下的数值模拟分析。上海长江隧道采用受力均匀的圆形衬砌结构。衬砌环外径15000mm,内径13700mm,环宽2000mm,壁厚650mm。隧道中除了衬砌圆环外,还有提供排烟通风空间的烟道板,用于行车的车道板,以及提供支撑的牛腿。文章选用三维实体热单元SOLID70,按照长江隧道断面的实际尺寸,建立30米长隧道衬砌结构段的三维模型,如图1,图2所示:

1隧道结构中火灾工况的建立

1.1基于标准升温曲线的隧道火灾工况

根据隧道火灾的特点,许多国家和组织都建立了专门针对隧道火灾的标准曲线,如荷兰的RWS和德国的RABT曲线。这些曲线都体现了隧道火灾升温速度快、最高温度高以及火灾持续时间长等特点。

基于标准升温曲线的隧道火灾工况虽然能反映出隧道火灾的特点,却没有将通风因素考虑在内。因而,文章结合上海长江隧道全比例火灾试验中模拟热释放功率为20MW的油池火灾试验,分析通风速率为1m/s时隧道中横向及纵向空气温度的数据,总结其分布规律,对RWS曲线按这一规律进行调整。

1.2火灾温度分布

1.2.1火灾温度横向分布按线性规律考虑,设烟道板三分点之间板段下沿的空气温度为T;烟道板端至三分点之间板段下沿的空气温度为T1;衬砌拱腰距车道板3.5米以上,烟道板下方的过渡段附近的空气温度为T2,具体数据拟合为:T1=0.62T,T2=0.29T1。

由于烟道板三分点之间板段所受的空气温度T最高,故可用修正的RWS曲线来描述其随时间的变化规律,横断面其它位置处的温度分布可按上述线性规律对RWS曲线进行调整。

1.2.2火灾温度纵向分布本文将火源设置在30米隧道衬砌段的三分截面处,假设火源截面截面各段温度为T、T1和T2;距离火源截面10米范围内的截面各段温度为T'、T1'和T2';距离火源截面10米至20米范围内的截面各段温度为T''、T1''和T2'',按线性规律考虑,具体数据拟合结果如下:

T'=T-17.56x,T1'=T1-9.77x,T2'=T2-4.9x x∈[-15,15]

T''=T'-3.06x,T1''=T1'-4.78x,T2''=T2'-3.1x x∈[0,15]

在标准升温曲线的基础上,忽略热烟气与衬砌混凝土之间的对流换热以及辐射换热,将模拟简化为以热传导为主的传热形式,将调整后的标准曲线作为衬砌表面的火灾空气温度作用到隧道横向及纵向各个相对应的位置上去,进行三维瞬态热分析。

2火灾下盾构隧道衬砌结构的瞬态热分析

本文瞬态热分析中的火灾工况作用时间为3个小时,计算火灾开始后每10分钟时的衬砌结构温度。主要分析结果有如下几个方面:

2.1最高结构温度随时间的变化规律

盾构隧道在火灾下的最高结构温度在火灾发生后的前一个半小时内的升温速率要稍大于后一个半小时,结构中的最高温度出现在受火三小时后,达到762℃;起火50分钟后,结构表面最高温度即将达到400℃。

2.2衬砌环厚度方向的结构平均温度分布

当火灾发生在隧道断面的中央时,火源两侧位置处的隧道衬砌环所遭受的火灾破坏较小,其表面平均结构温度都在200℃以下,距受火面10cm范围外的结构温度在50℃以下。

2.3衬砌环结构表面平均温度纵向分布

火源周围各位置截面的结构温度较为对称;火灾发生的前一个小时内,在衬砌环处的平均结构温差在30℃之内,结构温度在纵向的分布较为均匀,但各断面衬砌环的结构表面升温速率较快;火灾发生2小时后,衬砌环的结构表面升温速率逐渐放缓,各断面与火源位置截面的结构表面温差逐步增大,衬砌环处的最大温差达50℃。

3火灾下盾构隧道的结构分析

隧道车道板、烟道板与牛腿铰接;牛腿固接在衬砌圆环上;衬砌结构模型纵向两端以及弹簧自由端的所有位移自由度被全部约束;参考上海市工程建设规范《道路隧道设计规范》,计算主动土压力荷载,用简化的单元表面荷载来代替较为精确的节点荷载;用重力作用的惯性回复力来计算结构的自重,取重力加速度代表值为10m/s2;参考上海市工程设计规范《地基基础设计规范》,综合上海长江隧道盾构穿越的主要地层,选用针对软土的土抗力参考值,取弹簧的刚度为常数5000kPa。

3.1隧道衬砌结构在火灾高温下的变形情况

由瞬态热分析可知,盾构隧道衬砌的表面最高结构温度在火灾发生3600秒左右时即达到了400℃,火灾发生4200秒后,隧道各断面在除了衬砌环以外的受火面基本都超过了400℃,隧道衬砌材料的力学性能劣化加剧,混凝土材料的弹性模量减少了将近一半,而热膨胀系数则增长了将近15倍。由图3和图4所示,盾构隧道衬砌结构及各构件的各个方向的位移变形在火灾发生4200秒后都发生了突变,位移绝对值急剧增大,其中受火最为严重的烟道板的位移变形最大,衬砌环片的变形量次之,车道板的变形受火灾高温的影响最小。

3.2衬砌圆环在火灾高温下的受力情况

本文在进行隧道衬砌圆环内力分析时,取环宽2000mm的衬砌圆环为研究对象,为了能够判断衬砌圆环的受力破坏状态,对2000mm×650mm的圆环截面按照压弯构件进行正截面和斜截面的承载力计算。材料为C60混凝土,三级普通热轧钢筋,在地下工程设计中的最大配筋率下,计算得到的承载力:Mx≤1457kN・m,Nc≤8853kN,Nt≤7020kN,Vcs≤1714kN。下面以环腰的截面内力为例,说明衬砌圆环在火灾下的受力情况:

衬砌环作为超静定结构,在隧道发生火灾后,环内产生不均匀分布的热应力,并导致内力重分布。随着火势的发展,截面轴力逐渐增大,火源位置的截面轴力值小于其它位置,但最终都增至5115kN左右,截面始终承受轴向拉力;截面剪力逐渐增大,火源位置的截面剪力值最大,最大值将近300kN,而其它位置的截面剪力值较为相近,最大值为200kN。整个过程中,距离火源10米左右的0～2m段上的截面剪力方向始终为圆环的外法线法向,而其它位置则有常温时的外法线方向转为火灾高温下的内法线方向,可见该截面剪力的作用方向在Z轴不同位置上有交替变化的规律;截面弯矩不断增大,且距离火源越近,弯矩值越大,火灾3小时后,最大弯矩值达到630kN・m左右,截面始终承受圆环内侧受拉的弯矩。整个过程中截面内力未达到本文所计算的承载力极限状态。

4结论与不足

(1)在衬砌结构温度分布方面,发现火灾1小时左右结构表面的最高温度超过400℃,火灾3小时后结构表面的最高温度达到750℃左右;衬砌圆环拱腰位置的温度相对较低,火灾过程中的最高结构温度均未超过200℃,对圆环的受力性能未产生严重的影响。由于混凝土的热传导惰性,结构内部的温度扩散较为缓慢,距离受火面170mm范围内的结构最高温度在100℃左右,在该范围以外,结构温度基本不受火灾影响。

(2)在衬砌结构的变形性能方面,在火灾高温的作用下,结构的变形逐渐增大,其中X向的变形最大值在衬砌圆环的环顶处,最大值达到9mm;Y向的变形最大值在烟道板的跨中位置处,最大值达到30mm;在Z向不均匀温度荷载的作用下,结构未产生明显的Z向变形。

(3)在衬砌圆环的受力性能方面,衬砌圆环作为一个超静定的闭合结构,由于结构内部温度的不均匀分布,在衬砌圆环内产生温度应力,各截面内力在受火后发生变化;截面剪力值相对于轴力和弯矩较小;随着火灾的发展,截面轴力稳步增长,截面弯矩在环腰中下部位置处增长较为明显,而截面剪力在环腰中上部有逐渐向圆环内法线方向转变的趋势。

(4)在衬砌圆环承载力破坏方面,本文将衬砌圆环作为矩形梁来考虑,由于火灾下的圆环结构温度未对材料强度产生影响,本文按照最大配筋率进行了各项承载力的常温计算,结果发现在本文火灾工况的作用下,衬砌圆环的内力在火灾过程中均未达到本文所计算的承载力极限状态。

隧道火灾的数值模拟研究是一个复杂而庞大的系统,本文分析了隧道衬砌结构在火灾中的最不利状态,有很多条件与因素未考虑,如隧道火灾后的冷却方式及其对隧道灾后的结构残余应力的影响;火灾中混凝土爆裂对结构的影响;防火措施对火灾下隧道结构反应的影响等。希望在下一步的工作中能继续推动隧道火灾数值模拟方法的发展。

参考文献

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