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        隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫后應(yīng)力應(yīng)變特性分析

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

        ■李文鍵

        (寧德屏古高速公路有限責(zé)任公司,寧德 352200)

        隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫后應(yīng)力應(yīng)變特性分析

        ■李文鍵

        (寧德屏古高速公路有限責(zé)任公司,寧德 352200)

        針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)溫度場(chǎng)分布規(guī)律,對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下的變形和承載力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)襯砌溫度升高后,隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生較大變化,應(yīng)力接近混凝土極限抗壓強(qiáng)度;在火災(zāi)過程中由于混凝土強(qiáng)度急劇下降而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)有效厚度變薄以及其力學(xué)性能降低,結(jié)構(gòu)承載能力大幅度下降,極大降低了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

        襯砌結(jié)構(gòu) 應(yīng)力應(yīng)變 數(shù)值模擬 有效厚度

        1 引言

        隧道屬于特殊狹長(zhǎng)封閉結(jié)構(gòu),通風(fēng)條件差,使得火災(zāi)成為隧道最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。隧道火災(zāi)所造成的損失是巨大的,尤其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響而言,可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的坍塌或破壞?;馂?zāi)后的損傷評(píng)估、修復(fù)加固以及正常使用功能的恢復(fù)都會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)數(shù)量的人力、物力和財(cái)力,甚至存在由于結(jié)構(gòu)被破壞而導(dǎo)致隧道無法修復(fù)的可能[1][2]。因此,深入研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)場(chǎng)景下的變形性能和承載力,對(duì)減輕火災(zāi)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞、提高隧道使用壽命具有重要的意義。

        本文針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過建立有限元分析模型,分析在火災(zāi)場(chǎng)景下隧道變形和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的變化。

        2 有限元分析的基本假定及計(jì)算模型

        傳熱過程由導(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傳遞熱量[3]。

        2.1 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)閆治國等人成果,建立了隧道內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的升溫曲線、加載溫度,將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成二維導(dǎo)熱問題,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;分析中,將三維隧道簡(jiǎn)化為平面問題進(jìn)行分析,襯砌及圍巖采用四節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐帧?/p>

        2.2 計(jì)算模型

        數(shù)值分析采用地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,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。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,滿足變形協(xié)調(diào)前提下分別計(jì)算地層和襯砌的內(nèi)力。

        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)參照某隧道中實(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。

        3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫后應(yīng)力應(yīng)變特性

        3.1 襯砌結(jié)構(gòu)高溫后變形性能

        對(duì)不同時(shí)刻(0、2、6、12、24h)隧道襯砌結(jié)構(gòu)二襯內(nèi)最大應(yīng)變分布云圖進(jìn)行模擬分析。

        圖2 0 h最大應(yīng)變分布云圖

        圖3 2 h最大應(yīng)變分布云圖

        圖4 6 h最大應(yīng)變分布云圖

        圖5 12 h最大應(yīng)變分布云圖

        圖6 24 h最大應(yīng)變分布云圖

        圖2~圖6分別為隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫過程中不同時(shí)刻的最大應(yīng)變分布云圖。分析表明當(dāng)襯砌溫度升高后,隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變發(fā)生較大變化,尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處。

        在火災(zāi)高溫中,由于不均勻溫度分布,隧道襯砌結(jié)構(gòu)中截面各點(diǎn)產(chǎn)生不均勻的熱膨脹。然而,由于襯砌結(jié)構(gòu)受外界巖土、構(gòu)造應(yīng)力等作用,且由于混凝土力學(xué)性能的劣化,彈性模量降低,導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜,襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形。表現(xiàn)為襯砌拱頂位移明顯的增加,拱頂位移量達(dá)到2.1mm,隧道襯砌拱頂位移隨時(shí)間的變化如圖7所示。

        圖7 隧道二襯拱頂豎向位移隧道時(shí)間的變化曲線

        由圖7可知,在升溫初始階段(0~1 h為升溫階段,其中0~0.5 h為升溫初始階段),由于高溫下襯砌內(nèi)表面附近混凝土材料力學(xué)性能劣化而導(dǎo)致的變形大于不均勻熱膨脹導(dǎo)致的位移,表現(xiàn)為隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)下沉(向坐標(biāo)軸負(fù)方向)。當(dāng)升溫0.5 h后,隨著溫度向襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播和升高,襯砌混凝土受熱膨脹,膨脹產(chǎn)生的變形增大且占主導(dǎo)地位,表現(xiàn)為拱頂襯砌結(jié)構(gòu)正向(向坐標(biāo)軸正方向)變形,當(dāng)溫度開始降低時(shí)(2~6 h為降溫階段),由固相變形和孔隙氣體膨脹導(dǎo)致的變形隧道溫度降低而減小,最終基本消失,而由升溫引起的混凝土化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的巨大膨脹變形不可恢復(fù),與混凝土力學(xué)性能劣化產(chǎn)生的沉降疊加,表現(xiàn)為拱頂下沉?;炷磷匀焕鋮s后,其力學(xué)性能得到部分恢復(fù),拱頂沉降略有減小。

        上述分析表明,隧道火災(zāi)高溫時(shí),襯砌會(huì)發(fā)生顯著變形,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響:

        (1)襯砌結(jié)構(gòu)為超靜定體系,火災(zāi)高溫時(shí),襯砌變形的增加、剛度的降低會(huì)引起襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,使得不同部位的結(jié)構(gòu)安全度發(fā)生變化,尤其是受火面溫度高,襯砌劣化最為嚴(yán)重,且溫度變形大,極易產(chǎn)生混凝土剝落、掉塊。當(dāng)火災(zāi)嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)?dǎo)致非受火部位的襯砌結(jié)構(gòu)由于額外承受了受火部位結(jié)構(gòu)傳遞的荷載增量而發(fā)生破壞。

        (2)火災(zāi)高溫時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的變形,不僅會(huì)劣化混凝土力學(xué)性能,同時(shí)也會(huì)降低隧道結(jié)構(gòu)防水性能,減少混凝土使用壽命,同時(shí),若混凝土損傷嚴(yán)重、甚至局部脫落,也會(huì)影響隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境的安全。此外,當(dāng)降溫后,襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形不能完全恢復(fù),較大的殘余變形也會(huì)對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

        3.2 襯砌結(jié)構(gòu)高溫后承載力

        對(duì)不同時(shí)刻(0、2、6、24h)二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖進(jìn)行模擬分析。

        圖8 0 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

        圖9 2 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

        圖10 6 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

        圖11 24 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

        圖12 襯砌內(nèi)表面第一主應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

        由圖8~圖13可知,隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中,襯砌點(diǎn)位離受火面越近,其受火災(zāi)影響越嚴(yán)重,其應(yīng)力變化也越大。特別是第三主應(yīng)力,隨著溫度升高,受火一側(cè)混凝土壓應(yīng)力急劇增大,由未受火災(zāi)高溫時(shí)0.59MPa突變到27.04MPa,接近混凝土極限抗壓強(qiáng)度,導(dǎo)致混凝土有效厚度變薄,隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性降低。

        圖13 襯砌內(nèi)表面第三主應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

        圖14 不同時(shí)刻襯砌拱頂豎軸線上第一主應(yīng)力隨深度的變化曲線

        由圖14~圖15可知,在火災(zāi)高溫中,隨著隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土溫度的升高,由于混凝土熱膨脹和襯砌結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的劣化,襯砌結(jié)構(gòu)拱頂截面上的第一、第三主應(yīng)力均增大,但增加的速率在減小,且趨于平緩。同時(shí),第三主應(yīng)力受溫度影響較大,主要是因?yàn)橐r砌受熱膨脹,但是由于邊界的約束,襯砌結(jié)構(gòu)無法伸長(zhǎng),從而導(dǎo)致其應(yīng)力快速增長(zhǎng)。

        圖15 不同時(shí)刻襯砌拱頂豎軸線上第三主應(yīng)力隨深度的變化曲線

        4 結(jié)論

        本文對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中的變形過程進(jìn)行了研究,同時(shí)也對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中內(nèi)應(yīng)力重分布進(jìn)行了模擬,得出如下結(jié)論:(1)當(dāng)襯砌溫度升高后,隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變發(fā)生較大變化,尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處。

        (2)襯砌點(diǎn)位離受火面越近,其受火災(zāi)影響越嚴(yán)重,其應(yīng)力變化也越大。特別是第三主應(yīng)力,隨著溫度升高,受火一側(cè)混凝土壓應(yīng)力急劇增大,超過混凝土極限抗壓強(qiáng)度,隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性降低。

        (3)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中產(chǎn)生較大的變形,同時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生重分布,結(jié)構(gòu)上的附加應(yīng)力顯著增加,容易造成結(jié)構(gòu)失效,特別是在火災(zāi)過程中由于混凝土強(qiáng)度急劇下降而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)有效厚度變薄以及其力學(xué)性能的降低,承載能力大幅度下降,這極大地降低了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

        [1]沈奕.火災(zāi)下隧道結(jié)構(gòu)溫度特性及力學(xué)行為分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2016,53(06):80-88.

        [2]周湘川.特長(zhǎng)公路隧道現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)試驗(yàn)與襯砌結(jié)構(gòu)抗火性能研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011.

        [3]韓泰然.火災(zāi)高溫下公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2014.

        [4]閆治國.隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)高溫力學(xué)行為及耐火方法研究[D].同濟(jì)大學(xué),2007.

        [5]李凌志.火災(zāi)后混凝土材料力學(xué)性能與溫度、時(shí)間的關(guān)系[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

        [6]陳映貞,許肇峰,王勇平,魯昌河.高溫(火災(zāi))作用后混凝土殘余強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析[J].混凝土與水泥制品,2016,(09):1-5.

        [7]劉紅彬,李康樂,鞠楊,等.高強(qiáng)高性能混凝土的高溫力學(xué)性能和爆裂機(jī)理研究[J].混凝土,2009,(07):11-14.

        [8]查曉雄,鐘善桐.鋼筋混凝土構(gòu)件在受火時(shí)的力學(xué)性能分析[J].中華科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版),2002,(01):86-90.

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