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        火災(zāi)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及損傷演化研究

        2022-11-09 12:57:52
        四川建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:見式溫度場(chǎng)圍巖

        楊 鑫

        (四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,四川成都610000)

        當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土爆裂,同時(shí)使混凝土力學(xué)性能劣化,極大影響了混凝土的服役性能。若混凝土損傷嚴(yán)重、甚至局部脫落,大大降低結(jié)構(gòu)的承載力和安全性,影響隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境的安全。因此,研究火災(zāi)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及損傷演化,對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)以及火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)和修復(fù)等具有重要的意義。

        針對(duì)上述問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度出發(fā)開展了研究。卞暉[1]針對(duì)海底隧道的特點(diǎn)結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)理論分析了火災(zāi)場(chǎng)景下的隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律。張高樂等[2]從模型試驗(yàn)角度重點(diǎn)分析了襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面各處溫度場(chǎng)的變化過程。施鍵梅等[3]研究了火災(zāi)持續(xù)時(shí)間、峰值溫度及升溫速率對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響。王薇等[4]從混凝土結(jié)構(gòu)特性的不均勻性出發(fā)研究了熱力耦合作用下襯砌混凝土細(xì)觀損傷過程。王明年等[5]開展了現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)試驗(yàn)以研究混凝土的高溫?fù)p傷。沈奕[6]研究了火災(zāi)不同升溫曲線對(duì)襯砌力學(xué)行為的影響。李忠友等[7]建立了相應(yīng)的高溫?fù)p傷分析模型,在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了溫度持續(xù)時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能劣化的影響。舒祿山等[8]研究了隧道管片接頭的高溫力學(xué)性能。李文鍵[9]發(fā)現(xiàn)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。吳招鋒等[10]分析了火災(zāi)高溫下隧道襯砌內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律。

        本文以久治至馬爾康段高速公路凍則柯隧道為工程依托,建立了基于HC基準(zhǔn)升溫曲線的襯砌環(huán)熱力耦合模型。分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及襯砌結(jié)構(gòu)損傷情況,以期為隧道襯砌結(jié)構(gòu)防火耐火設(shè)計(jì)提供參考。

        1 工程概況

        G0615線久治—馬爾康段高速公路位于四川省阿壩州,是最新國(guó)家高速公路網(wǎng)的重要組成部分。凍則柯隧道左線長(zhǎng)729 m,右線長(zhǎng)690 m,最大埋深122 m,為該線上的控制性工程。隧道圍巖穿越中生界三疊系中統(tǒng)扎尕山群,巖性由變質(zhì)石英砂巖、砂質(zhì)板巖與板巖構(gòu)成韻律層互層,巖石整體上屬軟巖—較硬巖,局部破碎帶段為極軟巖。隧道圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)。初期支護(hù)采用噴錨支護(hù),二次襯砌采用模筑混凝土,其尺寸如圖1所示。

        圖1 二次襯砌尺寸(單位:m)

        2 熱力耦合有限元模型

        2.1 假設(shè)條件

        采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行模擬計(jì)算。整個(gè)數(shù)值模擬過程基于假設(shè):

        (1)混凝土和鋼筋均為各向同性材料,其質(zhì)量密度和泊松比均不隨溫度的變化而變化。

        (2)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有熱量生成。

        (3)假定襯砌內(nèi)表面受熱均勻。襯砌和圍巖的初始溫度取20 ℃,襯砌內(nèi)側(cè)表面的溫度根據(jù)升溫曲線進(jìn)行設(shè)定。

        2.2 升溫曲線

        根據(jù)GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和GB/T26784-2011《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)可供選擇和附加的試驗(yàn)程序》,碳?xì)?HC)升溫曲線適用于地下隧道承重結(jié)構(gòu)體系的耐火性研究。HC火災(zāi)升溫曲線的溫度時(shí)間關(guān)系如式(1)所示。

        T=1080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)+T0

        (1)

        式中:t為時(shí)間(min);T為t時(shí)刻襯砌內(nèi)的溫度(℃);T0為常溫時(shí)的溫度(℃)。

        2.3 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

        (1)混凝土彈性模量見式(2)。

        (2)

        式中:Ec為常溫下混凝土的彈性模量;Ec(T)為溫度T下混凝土的彈性模量;T為受火溫度(℃)。

        (2)混凝土比熱容見式(3)。

        20 ℃≤T≤1200 ℃

        (3)

        式中:Cc(T)為混凝土比熱容,(J/kg·K);T為受火溫度(℃)。

        (3)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)見式(4)。

        (4)

        式中:λc(T)為混凝土導(dǎo)熱系數(shù),W(m·K);T為受火溫度(℃)。本文采用鈣質(zhì)骨料的公式進(jìn)行求解計(jì)算。

        (4)混凝土熱膨脹系數(shù)見式(5)。

        (5)

        式中:αc(T)為混凝土熱膨脹系數(shù),1/K;T為受火溫度(°C)。

        (5)鋼筋彈性模量見式(6)。

        (6)

        式中:Es為常溫下鋼筋的彈性模量;Es(T)為溫度T下鋼筋的彈性模量;T為受火溫度(℃)。

        當(dāng)溫度超過700 ℃時(shí),認(rèn)為鋼材彈性模量不再變化。

        (6)鋼筋比熱容見式(7)。

        Cs(T)=600

        (7)

        式中:Cs(T)為鋼筋比熱容,J/kg·K;T為受火溫度(℃)。

        (7)鋼筋導(dǎo)熱系數(shù)見式(8)。

        (8)

        式中:λs(T)為鋼筋導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);T為受火溫度(℃)。

        (8)鋼筋屈服強(qiáng)度見式(9)。

        (9)

        當(dāng)溫度超過700 ℃時(shí),認(rèn)為鋼材屈服強(qiáng)度不再改變。

        模型中襯砌采用C35混凝土,常溫時(shí)材料屬性參數(shù)如表1所示?;炷烈r砌采用C3D8R單元模擬,鋼筋采用T3D2單元模擬。為了簡(jiǎn)化模型,忽略鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移,將鋼筋整體嵌入(Embedded)混凝土。

        表1 常溫下材料屬性參數(shù)

        混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型(Concrete Damage Plastic Model),該模型受往復(fù)荷載作用剛度恢復(fù)如圖2所示,損傷塑性參數(shù)取值如表2所示。損傷因子采用能量等效原理進(jìn)行計(jì)算。鋼筋均采用雙直線彈塑性本構(gòu),當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后,彈性模量降低為先前的1/100。

        圖2 CDP模型受往復(fù)荷載作用剛度恢復(fù)示意

        表2 混凝土損傷塑性參數(shù)

        2.4 結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用

        圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用通過地層彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。徑向約束為受壓不抗拉的非線性接地彈簧。對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖,地層彈性抗力系數(shù)取150 MPa/m。彈簧剛度等于地層抗力系數(shù)與彈簧承擔(dān)面積(節(jié)點(diǎn)所在單元總面積的1/4)的乘積。通過換算,可得到接地彈簧的剛度。地層彈簧如圖3所示。

        圖3 地層全周地層彈簧

        2.5 荷載

        圍巖相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表3所示。

        表3 圍巖參數(shù)

        根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》),隧道寬度B為12.22 m,則寬度影響系數(shù)為:

        w=1+i(B-5)=1+0.1×(12.22-5)=1.722 m

        荷載等效高度為:

        h=0.45×2s-1×w=0.45×25-1×1.722=12.3984 m

        依托工程區(qū)段為V級(jí)圍巖,則深淺埋分界高度為:

        H=2.5h=2.5×12.3984=30.996 m

        由于依托工程區(qū)段最大埋深122 m,大于深淺埋分界高度,屬于深埋隧道。根據(jù)《規(guī)范》,隧道垂直均布?jí)毫椋?/p>

        q=γh=247.968 kPa

        隧道水平均布?jí)毫椋?/p>

        e=(0.3~0.5)q=(74.3904~123.984) kPa

        V級(jí)圍巖下二次襯砌承擔(dān)60%~80%的圍巖荷載,本文取70%。二次襯砌受力如圖4所示。

        圖4 二次襯砌荷載示意

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        不同受火時(shí)間的混凝土的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。受火120 min后鋼筋的溫度場(chǎng)分布如圖6所示。從圖中可以看出,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)周圍巖土基本無(wú)影響。隧道襯砌結(jié)構(gòu)在HC升溫曲線加載下,隨著襯砌結(jié)構(gòu)厚度的增加,襯砌結(jié)構(gòu)上溫度減弱迅速,當(dāng)距受火面16.0 cm時(shí),溫度為71.65 ℃,在30 cm左右基本保持在常溫狀態(tài),火災(zāi)對(duì)其幾乎沒有影響,體現(xiàn)了混凝土材料優(yōu)異的防火性能。火災(zāi)作用120 min后,直接受火面最高溫度達(dá)到1 100 ℃,最靠近受火面的鋼筋溫度已經(jīng)達(dá)到660 ℃,已超鋼筋安全溫度的限值,鋼筋的性能會(huì)顯著下降。在實(shí)際的隧道火災(zāi)中,襯砌結(jié)構(gòu)表層混凝土?xí)l(fā)生爆裂而剝離,導(dǎo)致內(nèi)層混凝土裸露,鋼筋處的溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許值,嚴(yán)重威脅襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

        圖5 不同受火時(shí)間混凝土溫度場(chǎng)分布(單位:K)

        圖6 受火120min后鋼筋溫度場(chǎng)分布(單位:K)

        不同受火時(shí)間襯砌損傷分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出,升溫1 min后,損傷首先出現(xiàn)在拱腳的襯砌外側(cè)。隨著受火時(shí)間的增加,拱腳處的微裂縫逐漸呈現(xiàn)貫通趨勢(shì)。同時(shí),拱頂兩側(cè)出現(xiàn)損傷,且逐步向中間擴(kuò)展直至襯砌失效,

        圖7 不同受火時(shí)間襯砌損傷分布云圖

        無(wú)法繼續(xù)承載。在襯砌結(jié)構(gòu)防火耐火設(shè)計(jì)及災(zāi)后維護(hù)過程中,要重點(diǎn)關(guān)注拱腳和拱頂位置。

        4 結(jié)論

        本文以久治至馬爾康段高速公路凍則柯隧道為工程依托,建立了基于HC基準(zhǔn)升溫曲線的襯砌環(huán)熱力耦合模型。分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及襯砌結(jié)構(gòu)損傷情況。主要得出結(jié)論:

        (1)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)周圍巖土基本無(wú)影響。

        (2)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在HC升溫曲線加載下,最靠近受火面的鋼筋溫度已經(jīng)達(dá)到660 ℃,已超鋼筋安全溫度的限值,鋼筋的性能會(huì)顯著下降,嚴(yán)重威脅襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

        (3)在襯砌結(jié)構(gòu)防火耐火設(shè)計(jì)及災(zāi)后維護(hù)過程中,要重點(diǎn)關(guān)注拱腳和拱頂位置。

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