公路隧道模筑多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的抗火性能理論研究.pdf

1、隨著公路工程的發(fā)展，修建的隧道數(shù)量越來越多，發(fā)生隧道火災(zāi)的概率也隨之增加。作為隧道重要安全隱患的隧道火災(zāi)成為影響交通運輸，威脅人們生命財產(chǎn)安全的重要因素，也是國內(nèi)相關(guān)學(xué)者重點關(guān)注的對象。襯砌作為隧道的重要組成部分，其抗火性能不容忽視。
　　 本文以提高襯砌結(jié)構(gòu)的防火性能為目的提出了多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的概念，并以某在建隧道工程為依托，借助于數(shù)值模擬技術(shù)，對多孔襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)力學(xué)行為進行了研究。具體研究內(nèi)容包括：(1)多孔混凝土襯砌

2、結(jié)構(gòu)常溫下的力學(xué)性能分析；(2)多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)高溫下的溫度分布研究；(3)多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)高溫下的溫度應(yīng)力研究；(4)混凝土內(nèi)蒸汽壓分布研究。
　　 通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，本文獲得的主要研究成果有：
　　 1.以所依托的實際工程為背景研究了多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)常溫下的力學(xué)性能，并與同背景下實體混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行了比較分析。研究表明多孔襯砌結(jié)構(gòu)的孔道周圍存在著三個薄弱部位：襯砌表面、孔道之間斷面和孔道

3、外側(cè)(遠離隧道凈空方向)。
　　 2.運用數(shù)值計算技術(shù)研究了火災(zāi)高溫中多孔和實體混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的溫度場分布。研究表明：(1)多孔襯砌結(jié)構(gòu)和實體襯砌結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為：火災(zāi)開始階段，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)近火源一側(cè)表層的溫差最大，沿襯砌厚度方向逐漸減少，溫度影響范圍小。隨著時間的增長，襯砌結(jié)構(gòu)近火源一側(cè)表層的溫差逐漸降低，內(nèi)部溫差逐漸增大，溫度影響范圍擴大。(2)實體襯砌結(jié)構(gòu)的溫度呈分層均勻分布，多孔襯砌結(jié)構(gòu)的溫度呈波浪形分布：孔道與襯砌受火面

4、之間，同一深度處，孔中心斷面的溫度明顯高于孔間斷面的溫度；在孔道另一側(cè)，同一深度處，孔中心斷面的溫度明顯低于孔間斷面的溫度。(3)多孔襯砌結(jié)構(gòu)孔間斷面上，溫度沿襯砌厚度的分布與實體襯砌結(jié)構(gòu)中溫度沿襯砌厚度方向的分部情況相似，但多孔襯砌結(jié)構(gòu)中孔間斷面沿襯砌厚度方向的溫差較實體中略小。(4)多孔襯砌結(jié)構(gòu)孔中心斷面上，沿襯砌厚度方向的溫差明顯小于實體襯砌結(jié)構(gòu)中沿襯砌厚度方向的溫差。
　　 3.進行了火災(zāi)高溫中多孔襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，并

5、與實體襯砌結(jié)構(gòu)進行了比較。研究表明：(1)應(yīng)力在多孔襯砌結(jié)構(gòu)中與實體襯砌結(jié)構(gòu)中具有共同的變化規(guī)律：靠近襯砌結(jié)構(gòu)受火面的位置點在火災(zāi)開始階段的應(yīng)力最大，隨著時間的推移，應(yīng)力逐漸降低；離襯砌受火面一定距離的混凝土襯砌內(nèi)部，在火災(zāi)開始階段，應(yīng)力值較小，隨著火災(zāi)持續(xù)時間的推移，熱量逐漸傳遞到襯砌內(nèi)部，內(nèi)部的溫差增大，應(yīng)力也隨之增加。(2)多孔襯砌結(jié)構(gòu)中，孔的存在為孔周圍的混凝土膨脹變形提供了空間，使襯砌中同一時刻同一位置第二主應(yīng)力的值小于第三主

6、應(yīng)力的值，并使孔兩側(cè)的第一主應(yīng)力以受拉為主。(3)多孔襯砌結(jié)構(gòu)中，孔中心斷面上孔外側(cè)(遠離襯砌受火面)出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，孔間斷面上孔外側(cè)(遠離襯砌受火面)10mm處出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中應(yīng)重點關(guān)注孔間斷面的應(yīng)力分布，其最大拉應(yīng)力達5.8MPa，超過了混凝土的極限抗拉強度，容易造成混凝土的內(nèi)部損傷。
　　 4.介紹了目前應(yīng)用較為廣泛的進行混凝土三場(變形場、溫度場和滲流場)耦合分析的數(shù)學(xué)模型，并采用簡化計算方法研究了不同厚

7、度混凝土內(nèi)不同時刻的壓力分布。分析發(fā)現(xiàn)：通過減少混凝土的厚度來縮短混凝土內(nèi)蒸汽的滲透距離可以在火災(zāi)持續(xù)一定時間后改變混凝土內(nèi)的蒸汽壓分布?？梢灶A(yù)見，多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)能有效降低火災(zāi)中襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)的蒸汽壓力，進而改善襯砌結(jié)構(gòu)的抗剝落(爆裂)性能。
　　 5.通過本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)中的孔道可以通過預(yù)埋聚丙烯棒的方式來實現(xiàn)，施工簡單，造價低；在本文所依托的工程背景下，多孔混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能雖不如實體襯砌結(jié)構(gòu)，但