季海峰　李珠　劉元珍　秦小超

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院　太原 030024)

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安全技術(shù)及工程

玻化微珠保溫砂漿在隧道防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究*

季海峰李珠劉元珍秦小超

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院太原 030024)

針對(duì)當(dāng)前多發(fā)的隧道火災(zāi)，探討玻化微珠保溫砂漿在隧道防火設(shè)計(jì)中的可行性。通過(guò)有限元計(jì)算分析，對(duì)設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱層的隧道襯砌結(jié)構(gòu)防火性能進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)不同火災(zāi)規(guī)模下隧道溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明?；⒅楸厣皾{可以很好地阻止熱量的入侵，初步驗(yàn)證了其在隧道防火應(yīng)用的可行性，可為后續(xù)隧道防火設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供參考。

隧道火災(zāi)?；⒅楸厣皾{有限元分析

0　引言

隧道火災(zāi)是隧道災(zāi)害中最為嚴(yán)重的問(wèn)題之一，隧道建設(shè)在給人類帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，其火災(zāi)危害也讓人類蒙受巨大的損失。國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道火災(zāi)的研究逐漸得到重視，王明年、閆治國(guó)等[1-2]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同通風(fēng)速度及火災(zāi)規(guī)模的隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，為公路隧道抗火設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)依據(jù)；張念等[3]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)高海拔長(zhǎng)隧道火災(zāi)燃燒進(jìn)行了模型試驗(yàn)，對(duì)不同規(guī)?；馂?zāi)下的隧道溫度及煙氣分布進(jìn)行了研究；蔡小林等[4]通過(guò)有限元分析，對(duì)火災(zāi)發(fā)生前后隧道荷載的變化及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行了研究，為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考；李忠友等[5]基于材料非線性理論，結(jié)合Bradford[6]研究成果，通過(guò)理論推導(dǎo)給出了火災(zāi)下半圓形隧道截面轉(zhuǎn)角及徑向變形的解析解；程小偉等[7]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)隧道防火涂料配方各影響因素進(jìn)行了研究，對(duì)隧道防火涂料做出了優(yōu)化。

盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在隧道抗火領(lǐng)域取得了諸多有益的成果，然而新建隧道自身的火災(zāi)安全隱患依然存在。目前，限于國(guó)內(nèi)科技的發(fā)展及當(dāng)前經(jīng)濟(jì)水平，在寒區(qū)隧道施作保溫隔熱層時(shí)仍然有使用可燃有機(jī)材料的現(xiàn)象，給隧道防火埋下了隱患。隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于隧道自身空間狹小，突發(fā)火災(zāi)產(chǎn)生的熱量散發(fā)困難[8]，也加劇了隧道火災(zāi)的危害。

針對(duì)當(dāng)前寒區(qū)隧道有機(jī)材料在隧道抗火性能方面的缺陷，本文提出將無(wú)機(jī)玻化微珠保溫砂漿應(yīng)用于寒區(qū)隧道，通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)火災(zāi)作用下設(shè)置玻化微珠保溫砂漿隔熱層寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，探討無(wú)機(jī)?；⒅楸厣皾{對(duì)隧道耐火性能的影響，據(jù)此研究其在隧道抗火設(shè)計(jì)應(yīng)用的可行性。

1　火災(zāi)作用下隧道傳熱數(shù)值計(jì)算理論及計(jì)算模型

1.1熱傳導(dǎo)方程的建立

熱量傳遞主要有熱的傳導(dǎo)、對(duì)流以及熱的輻射3種方式，隧道火災(zāi)計(jì)算主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)和對(duì)流，模型計(jì)算時(shí)忽略熱輻射的影響。根據(jù)傳熱學(xué)基本理論，建立火災(zāi)作用下隧道傳熱基本方程：

(1)

式中，λx，λy，λz分別為材料不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為瞬時(shí)溫度，℃；ρ為材料密度，kg/m3；q為材料內(nèi)部釋放熱量；C為材料比熱，J/(kg·K)。

在計(jì)算時(shí)假定混凝土及保溫砂漿為各向同性材料，且火災(zāi)作用下內(nèi)部水泥水化釋放的熱量相對(duì)較小，可以忽略，對(duì)式(1)簡(jiǎn)化得：

(2)

式中，λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

考慮隧道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其截面尺寸，可假定在局部火災(zāi)區(qū)域范圍內(nèi)，隧道溫度場(chǎng)沿軸向相同，對(duì)上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

(3)

1.2模型初始條件

隧道火災(zāi)模型選取我國(guó)寒區(qū)隧道多年凍土段進(jìn)行模擬分析，隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)初始溫度近似取為-1 ℃，方程初始條件即為：

T(x,y,z,t=0)=T0

(4)

1.3模型邊界條件

(1)對(duì)于隧道非受火面采用第一類邊界條件：

T│l=T(X,y,z,t)

(5)

(2)對(duì)于隧道受火面采用第三類邊界條件：

(6)式中，h為空氣與隧道表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tf為流體介質(zhì)溫度，℃。

1.4隧道有限元模型

隧道有限元計(jì)算模型如圖1所示，該隧道位于寒區(qū)隧道多年凍土段，其初襯結(jié)構(gòu)厚度為30 cm，二襯結(jié)構(gòu)厚度40 cm，模型上邊界距隧道頂部20 m，下邊界距隧道底部20 m，模型左右邊界距隧道左右側(cè)分別為30 m。

1.5模型計(jì)算假定

(1)當(dāng)構(gòu)件截面尺寸大于其骨料粒徑4倍時(shí)，可假定混凝土及?；⒅楸厣皾{為各向同性材料[9]，忽略其沿不同方向物理性能的變化。

(2)由于隧道長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其截面尺寸，模型計(jì)算時(shí)考慮隧道局部受火區(qū)域溫度場(chǎng)沿軸線相同。

(3)混凝土在高溫作用下釋放的熱量與火災(zāi)釋放的熱量相比較小，模型計(jì)算時(shí)不予考慮。

圖1　隧道有限元計(jì)算模型

2　有限元模型計(jì)算參數(shù)的選擇

2.1火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線

火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線選用HC升溫曲線，火災(zāi)規(guī)模5～10 MW[10]，可用于一般規(guī)模隧道火災(zāi)的模擬分析。T=20+1 080×(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)

(7)

式中，t為時(shí)間，min。

當(dāng)隧道火災(zāi)規(guī)模較大時(shí)，可采用HCinc升溫曲線，其升溫曲線為HC曲線乘以1 300/1 100的放大系數(shù)。HC和HCinc升溫曲線如圖2所示。

圖2　火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線

2.2高溫下隧道襯砌混凝土導(dǎo)熱系數(shù)

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)主要受混凝土的骨料類型、配合比、含水量、溫度等因素影響，隨著溫度升高，骨料類型對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響逐漸減少[11]。模型計(jì)算時(shí)采用歐洲規(guī)范[12]的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式：

(20 ℃≤T≤1 200 ℃)

(8)

2.3高溫下襯砌混凝土比熱

混凝土的比熱隨著骨料比熱、混凝土密度、混凝土含水量、溫度的增加而變大，不同骨料類型對(duì)混凝土比熱影響較小[13]。模型計(jì)算時(shí)采用歐洲規(guī)范的比熱計(jì)算公式：

(20 ℃≤T≤1 200 ℃)

(9)

2.4其他計(jì)算參數(shù)

材料的密度受溫度影響變化較小，在計(jì)算時(shí)可采用常溫下材料的容重，計(jì)算時(shí)混凝土容重取為ρc=2 400 kg/m3，玻化微珠保溫砂漿容重取為ρ=200 kg/m3。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)高溫下?；⒅楸厣皾{計(jì)算公式，計(jì)算時(shí)恒定值λ=0.058 W/(m·K)。隧道圍巖受火災(zāi)影響小于混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.0 W/(m·K)，圍巖密度ρ=2 500 kg/m3，圍巖比熱C=980 J/(kg·K)。

3　火災(zāi)下隧道襯砌及圍巖溫度分布及分析

3.1未設(shè)置玻化微珠保溫砂漿隔熱層隧道溫度場(chǎng)

未設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱層時(shí)，隧道不同位置、不同時(shí)刻溫度變化如圖3、圖4所示。

圖3　未設(shè)置保溫隔熱層隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度

圖4　未設(shè)置保溫隔熱層后距隧道表面不同深度處溫度

對(duì)圖3、圖4分析可知，一般未設(shè)置無(wú)機(jī)防火保溫隔熱層的隧道，在火災(zāi)發(fā)生初期溫度迅速升高，表層混凝土6 min時(shí)溫度可高達(dá)800 ℃，這將嚴(yán)重影響混凝土的物理力學(xué)性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土高溫下力學(xué)性能研究成果[14]，800 ℃時(shí)混凝土強(qiáng)度僅為常溫下強(qiáng)度的15.6%，這將對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全造成威脅，甚至?xí)a(chǎn)生局部坍塌。同時(shí)從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，一般未設(shè)置防火保溫隔熱層的隧道，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，其距離隧道二襯表面75 mm范圍為火災(zāi)主要的影響區(qū)域，距受火面距離越遠(yuǎn)受火災(zāi)影響程度越低。對(duì)圖3數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)離隧道表面距離越小，火災(zāi)作用下溫度梯度越大，其混凝土所承受的溫差應(yīng)力也越大，表層混凝土更容易產(chǎn)生爆裂。

3.2設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱層后火災(zāi)作用下溫度場(chǎng)

設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱層后，火災(zāi)作用下隧道不同時(shí)刻及不同位置溫度如圖5、圖6所示。

圖5　設(shè)置30 mm?；⒅楸馗魺?/p>

圖6　設(shè)置30 mm?；⒅楸馗魺?/p>

從圖5、圖6可以看出，設(shè)置防火保溫隔熱層后，火災(zāi)作用下其影響區(qū)域主要集中在玻化微珠保溫砂漿隔熱層，而內(nèi)層的隧道襯砌結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生明顯的影響。設(shè)置防火保溫隔熱層后在受火災(zāi)作用120 min后，其襯砌結(jié)構(gòu)表面溫度僅為78.62 ℃，此時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)表層混凝土力學(xué)性能所受溫度影響可以忽略。?；⒅楸厣皾{隔熱層的設(shè)置很大程度減少了熱量對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的入侵，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)形成保護(hù)，避免由于局部溫度過(guò)高導(dǎo)致隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能急劇下降，進(jìn)而影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

3.3不同火災(zāi)規(guī)模對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響

采用火災(zāi)HCinc升溫曲線計(jì)算火災(zāi)規(guī)模較大時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)狀況，通過(guò)有限元計(jì)算得出HCinc升溫曲線下未做防火保溫層時(shí)隧道不同時(shí)刻溫度如圖7所示，HCinc升溫曲線下設(shè)置防火保溫層時(shí)隧道不同時(shí)刻溫度如圖8所示。

圖7　HCinc升溫曲線下無(wú)防火隔熱

圖8　HCinc升溫曲線下設(shè)置防火隔熱

通過(guò)圖7、圖8與圖3、圖5對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未設(shè)置玻化微珠防火保溫隔熱層時(shí)不同升溫曲線對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響明顯，HCinc升溫曲線下隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度要明顯高于HC升溫曲線下隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度，由于熱傳遞的延遲及損耗，不同升溫曲線對(duì)隧道表層溫度場(chǎng)影響較為明顯。HCinc升溫曲線下隧道二襯結(jié)構(gòu)表面溫度和距二襯表面25 mm處溫度分別相對(duì)于HC升溫曲線下提高了18.5%和15.53%；而對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)較深處，HCinc升溫曲線下距二襯表面50 mm處溫度和距二襯表面75 mm處溫度分別相對(duì)于HC升溫曲線下的溫度提升了12.59%和10.76%。設(shè)置?；⒅楸厣皾{隔熱層時(shí)，由于?；⒅楸厣傲己玫谋馗魺嵝阅?，不同火災(zāi)規(guī)模對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響主要集中于保溫隔熱層厚度范圍內(nèi)，對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響變化數(shù)值相對(duì)較小，其溫度仍在低于100 ℃的溫度范圍，在此溫度下對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能的影響可以忽略。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于當(dāng)前多發(fā)的隧道火災(zāi)，本文著重對(duì)隧道無(wú)機(jī)?；⒅楸厣皾{隔熱層防火性能進(jìn)行了分析，證實(shí)了其在隧道防火設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性，可為我國(guó)隧道防火的設(shè)計(jì)及相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了借鑒。不同火災(zāi)規(guī)模對(duì)于一般隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)影響明顯，而設(shè)置玻化微珠保溫砂漿防火隔熱層的隧道襯砌結(jié)構(gòu)受不同火災(zāi)規(guī)模影響則相對(duì)較小，可以忽略。本文在計(jì)算中未考慮火災(zāi)作用下?；⒅楸厣皾{和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的爆裂，對(duì)于?；⒅楸厣皾{高溫下抗爆裂性能的研究是進(jìn)一步的工作。

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李珠，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。

Research on the Application of Thermal Insulation Glazed Hollow Bead Mortar in the Tunnel Fire Protection Design

JI HaifengLI ZhuLIU YuanzhenQIN Xiaochao

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

In view of the current multiple tunnel fire, the feasibility of thermal insulation glazed hollow bead mortar used in the fire protection design of tunnel is explored. Through the finite element analysis, thermal insulation glazed hollow bead mortar used as tunnel fireproof lining is studied, and the effect of different fire scale on the tunnel temperature field is analyzed. The research results show that the thermal insulation glazed hollow bead mortar performs well in preventing heat intrusion, and the feasibility in tunnel fireproof application is verified, which can provide references for the subsequent tunnel fire protection design and related research.

tunnelfirethermal insulation glazed hollow bead mortarfinite element analysis

2015-06-15)

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308371)，山西省自然科學(xué)基金(2014011033-1)。

季海峰，男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究。