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        海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)溫度場(chǎng)模擬

        2017-11-01 12:32:35■卞
        福建交通科技 2017年5期
        關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu)

        ■卞 暉

        (福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所,福州 350004)

        海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土火災(zāi)溫度場(chǎng)模擬

        ■卞 暉

        (福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所,福州 350004)

        針對(duì)廈門(mén)翔安海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn),基于襯砌結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)理論和混凝土各向同性材料假設(shè),采用MIDAS 有限元軟件建立隧道溫度場(chǎng)分析模型,對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景下隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明:隨著離受火面距離的增大,溫度逐漸降低,防水板、初支、圍巖不受隧道內(nèi)溫度影響;混凝土結(jié)構(gòu)是有利于防火的,但這種不良的熱傳導(dǎo)性會(huì)增加襯砌結(jié)構(gòu)截面上溫度場(chǎng)的不均勻分布;如果襯砌結(jié)構(gòu)沒(méi)有施加任何保護(hù)措施,則鋼筋處的溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出容許值,導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度、彈性模量急劇下降。

        海底隧道 襯砌 火災(zāi) 溫度場(chǎng) 分布規(guī)律

        1 引言

        據(jù)統(tǒng)計(jì),隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)外已建的跨海和海峽交通隧道已逾百座,國(guó)內(nèi)建成的海底隧道已有9座。然而,海底隧道屬于特殊狹長(zhǎng)封閉結(jié)構(gòu),通風(fēng)條件比山嶺隧道還差。實(shí)例表明,一旦發(fā)生火災(zāi),大火除了對(duì)隧道內(nèi)的人員造成巨大傷害外,還會(huì)由于高溫導(dǎo)致混凝土裂爆和力學(xué)性能的劣化,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損壞,大大降低結(jié)構(gòu)的承載力和安全性。如英吉利海底隧道1996年大火中約46m范圍的襯砌遭到完全破壞,原本45cm厚的襯砌管片爆破深度達(dá)到了30~40cm,大火持續(xù)約9h,造成約500m范圍的襯砌管片受到中度損傷,約280m范圍的襯砌管片受到嚴(yán)重破壞。目前,國(guó)內(nèi)外研究者在研究建筑物混凝土工作性能指標(biāo)同時(shí),開(kāi)始考慮高溫作用對(duì)混凝土性能的影響,并取得了大量卓有成效的研究成果,但是,針對(duì)海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土高溫性能研究的文獻(xiàn)較少。

        本文針對(duì)海底隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過(guò)建立有限元分析模型,對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景下隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析。

        2 襯砌結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)理論及熱工參數(shù)

        2.1 襯砌結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)理論

        混凝土是由水泥凝膠、骨料組成的各向異性、非均勻材料。襯砌結(jié)構(gòu)的尺寸一般大于4倍的骨料最大粒徑,在理論分析時(shí),可以將襯砌結(jié)構(gòu)混凝土視為各向同性的均質(zhì)材料。此外,已有的試驗(yàn)和分析證明,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài),一般不影響結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)過(guò)程和溫度場(chǎng)的變化,因此,可以單獨(dú)的進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的計(jì)算。

        從襯砌結(jié)構(gòu)混凝土中取一與坐標(biāo)平行的微單元dV=dxdydz進(jìn)行分析。隧道襯砌防火計(jì)算一般不考慮襯砌混凝土本身的發(fā)熱,則根據(jù)能量守恒定律,dt時(shí)間內(nèi)導(dǎo)入、導(dǎo)出熱量的差應(yīng)等于襯砌結(jié)構(gòu)混凝土微元體熱力學(xué)能的增量△Q。當(dāng)確定了襯砌結(jié)構(gòu)混凝土、巖土體的熱工參數(shù)后,根據(jù)上述等式即可求解襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布。但是,考慮到:(1)襯砌混凝土的熱工參數(shù)隨溫度變化較大,需要考慮熱工參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律;(2)隧道襯砌熱邊界隨時(shí)間而發(fā)生變化;(3)襯砌結(jié)構(gòu)形狀上的變化,使得求解襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布的解析式非常困難。為此,需要借助于數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行求解。

        2.2 混凝土熱工參數(shù)

        (1)熱膨脹系數(shù)

        熱膨脹特性αc(T)可采用熱膨脹系數(shù)來(lái)表示,即物體溫度升高一度,單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,當(dāng)溫度低于300℃時(shí),混凝土的固相物質(zhì)和空隙間氣體受熱膨脹,僅發(fā)生物理變化,冷卻后,理論上混凝土試件收縮至原尺寸,但由于水分的蒸發(fā)、氣體的泄漏等,試件冷卻后可能比原尺寸略小,通過(guò)對(duì)公式進(jìn)行修正,得到如下熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系:

        (2)熱傳導(dǎo)率

        混凝土熱傳導(dǎo)率λc(T)是指混凝土傳導(dǎo)熱量的能力,其定義為單位溫度梯度下單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量,單位是W/(m·℃)。影響其熱傳導(dǎo)系數(shù)的主要因素為混凝土的骨料類(lèi)型、配合比和含水量等。當(dāng)混凝土的組成成分確定時(shí),其含水量就成了影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要原因。隨著溫度的升高,因混凝土中的水分蒸發(fā),混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)也隨溫度的升高而明顯減小,溫度在100℃附近受含水量影響很大,當(dāng)溫度大于200℃后線(xiàn)性減小,但變化幅度不大。由于火災(zāi)時(shí)襯砌溫度一般較高,所以,在火災(zāi)計(jì)算中混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)一般不考慮含水量的影響。

        歐洲規(guī)范EUROCODE2的建議參考值如下:

        鈣質(zhì)骨料混凝土:

        硅質(zhì)骨料混凝土:

        同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所對(duì)混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,建議高溫下混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)可采用下式表示:

        (3)比熱

        比熱Cc(T)是指單位質(zhì)量的物體溫度升高1℃所需要的熱量,單位是J/(kg·℃)?;炷恋谋葻犭S溫度的升高緩慢增加,其骨料類(lèi)型的不同對(duì)比熱的影響較小,配合比對(duì)比熱影響較大,在溫度達(dá)到100℃左右時(shí),比熱有一突然增加,這是自由水蒸發(fā)的緣故。

        歐洲規(guī)范EUROCODE2的建議值為:

        同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所建議高溫下混凝土的比熱隨溫度變化的關(guān)系可采用下式表示:

        3 海底隧道火災(zāi)溫度場(chǎng)分布計(jì)算

        3.1 基本假定

        傳熱過(guò)程由導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三種形式組成。隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),熱空氣以對(duì)流和輻射向襯砌表面?zhèn)鬟f熱量,襯砌內(nèi)部主要以傳熱方式來(lái)傳遞熱量。

        基本假定:混凝土為各向同性材料,各方向傳熱系數(shù)相同;襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒(méi)有熱量生成,混凝土內(nèi)的水分蒸發(fā)忽略不計(jì);采用同濟(jì)大學(xué)閆治國(guó)等建立了隧道內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的升溫曲線(xiàn)加載溫度,將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化二維導(dǎo)熱問(wèn)題,沿隧道軸向一定范圍內(nèi)溫度認(rèn)為不變;由于鋼筋在襯砌結(jié)構(gòu)中所占的體積很小,計(jì)算時(shí)忽略鋼筋的影響;溫度場(chǎng)分析中,將三維隧道簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行分析,襯砌及圍巖采用四節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐郑辉跓釕?yīng)力分析時(shí),通過(guò)網(wǎng)格中“修改參數(shù)”命令,將網(wǎng)格更改為八節(jié)點(diǎn)四邊形單元,分析結(jié)果精度得到進(jìn)一步提高。

        3.2 計(jì)算模型

        數(shù)值分析采用地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,不考慮初襯與二襯之間的防水板,初襯與二襯間只傳遞徑向力,路面結(jié)構(gòu)以及隧道內(nèi)的附屬設(shè)施對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能影響較小,故不予考慮。幾何模型采用五心圓帶仰拱的形式,初襯厚度30cm,二襯厚度70cm。計(jì)算模型邊界范圍:在隧道橫向y軸取140m,隧道橫向x軸取120m,基本保證數(shù)值模擬邊界不受開(kāi)挖干擾。兩側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)水平方向約束,底部邊界節(jié)點(diǎn)施加豎向約束,上邊界為地表自由邊界,可以自由沉降。原始應(yīng)力主要是自重應(yīng)力場(chǎng),計(jì)算采用將襯砌和地層視為整體共同受力的統(tǒng)一體系,滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)前提下分別計(jì)算地層和襯砌的內(nèi)力。

        圖1 有限元計(jì)算模型網(wǎng)格圖

        圖2 初襯與二襯有限元計(jì)算模型網(wǎng)格圖

        根據(jù)隧道初襯和二襯的厚度以及有限元網(wǎng)格劃分的大小,在隧道襯砌內(nèi)表面選擇一系列點(diǎn),按照閆治國(guó)等得得出的溫度橫向規(guī)律,分別施加火災(zāi)情況下的溫度荷載。以路面中心點(diǎn)為參照,將溫度分布分為兩個(gè)區(qū),從π/4~3π/4角度處的襯砌點(diǎn)位為高溫區(qū);其余襯砌點(diǎn)位為次高溫區(qū)。

        數(shù)值模擬所需要的地層物理、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)參照廈門(mén)翔安海底隧道中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),如下表1所示。表中,H為深度,E為彈性模量,μ為泊松比,C為內(nèi)聚力,φ為摩擦角,γ為重度。

        表1 地層物理、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

        隧道襯砌結(jié)構(gòu)周?chē)鷰r土體的熱工參數(shù)隨巖土類(lèi)型、含水量等而變化。同時(shí),考慮到火災(zāi)時(shí),巖土體溫度即使發(fā)生變化,幅度也不會(huì)太大,因此,可以參照其常溫時(shí)的參數(shù)選取,如下表2所示。

        表2 圍巖材料的熱工參數(shù)

        3.3 海底隧道火災(zāi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律

        根據(jù)MIDAS有限元熱傳導(dǎo)計(jì)算結(jié)果,隧道在火災(zāi)情況下,溫度的傳遞影響范圍僅限于襯砌內(nèi),且主要分布在距離內(nèi)表面較近范圍,對(duì)周?chē)鷰r土基本無(wú)影響。根據(jù)火災(zāi)曲線(xiàn),0~1h 為升溫階段,1~2h 恒溫階段,2~6h 為降溫階段,6~24h為自然冷卻階段。圖3為1h二襯內(nèi)溫度分布云圖。圖4為不同時(shí)刻拱頂混凝土溫度隨深度的變化曲線(xiàn)。

        圖3 1h二襯內(nèi)溫度分布云圖

        圖4 不同時(shí)刻拱頂混凝土溫度隨深度的變化曲線(xiàn)

        由隧道襯砌云圖和拱頂混凝土溫度隨深度的變化曲線(xiàn)可知,在升溫初期,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度梯度最大,溫度影響范圍小。隨著時(shí)間的推移,各點(diǎn)溫度不斷升高,溫度的影響范圍逐漸擴(kuò)大。隨著離受火面距離的增大,溫度逐漸降低,且溫度降低的梯度逐漸減小,至襯砌深度35cm時(shí),混凝土溫度基本降低至常溫20℃,并未至初支及圍巖,防水板不受隧道內(nèi)溫度影響。

        當(dāng)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間30min時(shí),襯砌受火面表面的溫度為510℃,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)10cm的混凝土最高溫度仍只有約107℃。而當(dāng)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間1h時(shí),襯砌受火面表面的溫度為1000℃,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)10cm的混凝土最高溫度仍只有約200℃。分析結(jié)果說(shuō)明,混凝土結(jié)構(gòu)是有利于防火的。但是,這種不良的熱傳導(dǎo)性會(huì)增加襯砌結(jié)構(gòu)截面上溫度場(chǎng)的不均勻分布,導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的不均勻溫度應(yīng)力,影響襯砌結(jié)構(gòu)的性能和安全。

        從分析結(jié)果可以看出,當(dāng)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間達(dá)1h襯砌內(nèi)溫度高于300℃的厚度為8cm。隧道襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土中鋼筋的保護(hù)層一般為5cm,在火災(zāi)高溫中,當(dāng)火災(zāi)持續(xù)時(shí)間1h后,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)5cm(鋼筋的位置)的混凝土最高溫度約為600℃,已超鋼筋安全溫度的限值300℃。在實(shí)際火災(zāi)中,火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間一般都較長(zhǎng),且襯砌結(jié)構(gòu)表層混凝土?xí)l(fā)生爆裂,可以預(yù)見(jiàn),如果襯砌結(jié)構(gòu)沒(méi)有施加任何保護(hù)措施,則鋼筋處的溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出容許值,導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度、彈性模量急劇下降,影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

        4 結(jié)論

        (1)隨著離受火面距離的增大,溫度逐漸降低,且溫度降低的梯度逐漸減小,至襯砌深度35cm時(shí),混凝土溫度基本降低至常溫20℃,并未至初支及圍巖,防水板不受隧道內(nèi)溫度影響。

        (2)混凝土結(jié)構(gòu)是有利于防火的。但是,這種不良的熱傳導(dǎo)性會(huì)增加襯砌結(jié)構(gòu)截面上溫度場(chǎng)的不均勻分布,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的不均勻溫度應(yīng)力,影響襯砌結(jié)構(gòu)的性能和安全。

        (3)如果襯砌結(jié)構(gòu)沒(méi)有施加任何保護(hù)措施,則鋼筋處的溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出容許值,導(dǎo)致鋼筋強(qiáng)度、彈性模量急劇下降,影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

        [1林作雷,翟守信.廈門(mén)翔安海底隧道施工關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)——施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)[M].北京:人民交通出版社,2011.

        [2]胡輝榮,舒中文,程崇國(guó).火災(zāi)高溫時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].隧道建設(shè),2010,30(1):15-19.

        [3]姚堅(jiān).公路隧道內(nèi)火災(zāi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律數(shù)值模擬分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

        [4]王樹(shù)永.高速公路隧道火災(zāi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2013.

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