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隧道衬砌结构火灾高温力学行为及耐火方法研究

闫治国  
【摘要】:衬砌结构防火是隧道防火的一个重要组成部分。国内外发生的大量隧道火灾案例都显示了火灾对衬砌结构的严重损害以及衬砌结构防火的重要性。随着越来越多隧道的修建,对衬砌结构火灾安全的评价以及如何提高衬砌结构的火灾安全性成为了一个重要的问题。 本文从材料、构件、结构体系三个层次对衬砌结构在火灾高温时(高温后)的力学特性、耐火能力及薄弱环节进行了研究。具体研究内容包括:1)用于隧道衬砌结构防火设计的火灾场景及设计方法:2)钢筋混凝土、钢纤维混凝土衬砌管片火灾高温时(高温后)的力学行为;3)钢筋混凝土、钢纤维混凝土衬砌接头火灾高温时(高温后)的力学行为;4)隧道衬砌结构体系(包括钢筋混凝土管片环及钢纤维混凝土管片环)火灾高温时(高温后)的力学行为;5)隧道衬砌结构的耐火方法。 通过火灾试验、理论分析和数值模拟等方法,本文取得了较为丰富的研究成果:1)建立了较全面反映隧道火灾特点和影响因素的完整火灾场景(包括温度-时间曲线、温度横向分布及温度纵向分布)及其设计方法:2)给出了隧道衬砌结构温度场的理论计算方法,并在考虑隧道火灾特点、衬砌结构热边界、混凝土高温爆裂的条件下,研究了衬砌结构温度场的传播分布规律;3)给出了钢筋混凝土、钢纤维混凝土管片在不同温度-荷载工况下的火灾损伤、变形性能及承载力。研究表明,火灾高温时,由于截面上的不均匀温度分布以及材料性能的不均匀劣化,管片承载力降低,管片变形、内力状态均发生明显变化;4)给出了钢筋混凝土、钢纤维混凝土接头火灾高温时(高温后)的破坏模式、变形性能(张角、张开量的变化)及接头刚度的变化。研究表明,火灾高温下,衬砌接头根据接头类型、受载状况的不同,表现出不同的破坏模式。同时,由于火灾高温的作用,接头张角、张开量明显增加,接头刚度显著降低;5)给出了接头临界偏心距的概念、计算方法及变化规律;6)研究了隧道衬砌结构体系火灾高温时(高温后)的破坏模式、变形性能、承载力及火灾过程中的内力重分布。研究表明,根据衬砌环构成方式、荷载模式、约束条件及受火环境等的不同,衬砌环表现出不同的破坏模式。同时,由于火灾高温的作用,衬砌环承载


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