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《山东建筑大学》 2011年
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公路隧道模筑多孔混凝土衬砌结构的抗火性能理论研究

刘继青  
【摘要】:随着公路工程的发展,修建的隧道数量越来越多,发生隧道火灾的概率也随之增加。作为隧道重要安全隐患的隧道火灾成为影响交通运输,威胁人们生命财产安全的重要因素,也是国内相关学者重点关注的对象。衬砌作为隧道的重要组成部分,其抗火性能不容忽视。 本文以提高衬砌结构的防火性能为目的提出了多孔混凝土衬砌结构的概念,并以某在建隧道工程为依托,借助于数值模拟技术,对多孔衬砌结构的火灾力学行为进行了研究。具体研究内容包括:(1)多孔混凝土衬砌结构常温下的力学性能分析;(2)多孔混凝土衬砌结构高温下的温度分布研究;(3)多孔混凝土衬砌结构高温下的温度应力研究;(4)混凝土内蒸汽压分布研究。 通过理论分析、数值模拟等方法,本文获得的主要研究成果有: 1.以所依托的实际工程为背景研究了多孔混凝土衬砌结构常温下的力学性能,并与同背景下实体混凝土衬砌结构的力学性能进行了比较分析。研究表明多孔衬砌结构的孔道周围存在着三个薄弱部位:衬砌表面、孔道之间断面和孔道外侧(远离隧道净空方向)。 2.运用数值计算技术研究了火灾高温中多孔和实体混凝土衬砌结构的温度场分布。研究表明:(1)多孔衬砌结构和实体衬砌结构均表现为:火灾开始阶段,混凝土衬砌结构近火源一侧表层的温差最大,沿衬砌厚度方向逐渐减少,温度影响范围小。随着时间的增长,衬砌结构近火源一侧表层的温差逐渐降低,内部温差逐渐增大,温度影响范围扩大。(2)实体衬砌结构的温度呈分层均匀分布,多孔衬砌结构的温度呈波浪形分布:孔道与衬砌受火面之间,同一深度处,孔中心断面的温度明显高于孔间断面的温度;在孔道另一侧,同一深度处,孔中心断面的温度明显低于孔间断面的温度。(3)多孔衬砌结构孔间断面上,温度沿衬砌厚度的分布与实体衬砌结构中温度沿衬砌厚度方向的分部情况相似,但多孔衬砌结构中孔间断面沿衬砌厚度方向的温差较实体中略小。(4)多孔衬砌结构孔中心断面上,沿衬砌厚度方向的温差明显小于实体衬砌结构中沿衬砌厚度方向的温差。 3.进行了火灾高温中多孔衬砌结构的应力分析,并与实体衬砌结构进行了比较。研究表明:(1)应力在多孔衬砌结构中与实体衬砌结构中具有共同的变化规律:靠近衬砌结构受火面的位置点在火灾开始阶段的应力最大,随着时间的推移,应力逐渐降低;离衬砌受火面一定距离的混凝土衬砌内部,在火灾开始阶段,应力值较小,随着火灾持续时间的推移,热量逐渐传递到衬砌内部,内部的温差增大,应力也随之增加。(2)多孔衬砌结构中,孔的存在为孔周围的混凝土膨胀变形提供了空间,使衬砌中同一时刻同一位置第二主应力的值小于第三主应力的值,并使孔两侧的第一主应力以受拉为主。(3)多孔衬砌结构中,孔中心断面上孔外侧(远离衬砌受火面)出现了压应力集中现象,孔间断面上孔外侧(远离衬砌受火面)10mm处出现了拉应力集中现象。其中应重点关注孔间断面的应力分布,其最大拉应力达5.8MPa,超过了混凝土的极限抗拉强度,容易造成混凝土的内部损伤。 4.介绍了目前应用较为广泛的进行混凝土三场(变形场、温度场和渗流场)耦合分析的数学模型,并采用简化计算方法研究了不同厚度混凝土内不同时刻的压力分布。分析发现:通过减少混凝土的厚度来缩短混凝土内蒸汽的渗透距离可以在火灾持续一定时间后改变混凝土内的蒸汽压分布。可以预见,多孔混凝土衬砌结构能有效降低火灾中衬砌结构内的蒸汽压力,进而改善衬砌结构的抗剥落(爆裂)性能。 5.通过本文的研究可以发现,多孔混凝土衬砌结构中的孔道可以通过预埋聚丙烯棒的方式来实现,施工简单,造价低;在本文所依托的工程背景下,多孔混凝土衬砌结构的受力性能虽不如实体衬砌结构,但仍能满足工程需要。
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