馬立軍,徐 璐,王 靜,張?jiān)讫?錢(qián)雪松

吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

隧道屬于半封閉建筑,空間狹小,發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度急劇上升,煙霧無(wú)法擴(kuò)散,這不但會(huì)造成人員傷亡,還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可估量的危害[1],因此需要對(duì)隧道路面火災(zāi)進(jìn)行研究.由于隧道火災(zāi)試驗(yàn)所需的空間較大,試驗(yàn)難以控制且存在一定風(fēng)險(xiǎn),常采用有限元模型模擬火災(zāi)的發(fā)生[2].

近年來(lái),相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道火災(zāi)響應(yīng)進(jìn)行了一系列研究.對(duì)于數(shù)值模擬,學(xué)者們主要分析了隧道溫度分布及隧道內(nèi)部溫度變化.朱合華等[3]人根據(jù)有限單元法對(duì)比分析不同標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線下的溫度分布,表明襯砌的內(nèi)部溫度分布受火災(zāi)曲線的影響較大,不同火災(zāi)曲線下的溫度分布具有較大差異.劉曉勇[4]同樣采用有限元法分析了偏壓條件下的襯砌內(nèi)部溫度分布,結(jié)果表明襯砌的內(nèi)部溫度變化是由曲線變化轉(zhuǎn)為直線變化,同時(shí)當(dāng)偏壓角度較大時(shí),火災(zāi)將成為隧道破壞的誘導(dǎo)因素而非直接因素.Liu B等[5]人對(duì)海拔高度對(duì)隧道火災(zāi)縱向溫度分布的影響進(jìn)行研究.結(jié)果表明當(dāng)海拔溫度升高時(shí),煙與隧道壁之間的熱對(duì)流增強(qiáng),從而增加了煙的熱損失,故高度較高時(shí),縱向溫度衰減更快.隧道發(fā)生火災(zāi)除了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的威脅,還會(huì)產(chǎn)生大量濃煙,對(duì)人們的生命安全產(chǎn)生威脅.Król A等[6]人在長(zhǎng)度為678 m、傾斜4 %的實(shí)際公路隧道中進(jìn)行了熱煙試驗(yàn).結(jié)果表明,隧道的整個(gè)背風(fēng)面都充滿了熱氣,這對(duì)困在該區(qū)域的人來(lái)說(shuō)是致命的威脅.與此同時(shí),在縱向通風(fēng)隧道中,氣流結(jié)構(gòu)及其大小對(duì)煙氣管理非常重要.Se C M K等[7]人采用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù),研究了不同尺寸、方向和性質(zhì)下的火源對(duì)氣流速度和溫度分布的影響.結(jié)果表明,火源性質(zhì)對(duì)整個(gè)隧道的上游風(fēng)速和氣流模式產(chǎn)生不利影響.隧道內(nèi)屬于封閉空間,一旦發(fā)生火災(zāi),可能會(huì)引起周圍車輛及建筑物起火,形成多處火源,因此崔心源等[8]人對(duì)雙火源隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬,結(jié)果表明與單火源相比,雙火源之間的相互影響更易造成濃煙的積聚,增大了危險(xiǎn)性.此外,雙火源之間的距離對(duì)溫度也有一定影響,當(dāng)火源間距增大時(shí),輻射強(qiáng)度在降低,但仍會(huì)對(duì)人員及建筑物造成危害.

結(jié)合上述文獻(xiàn)可知,目前隧道火災(zāi)的研究主要集中在火災(zāi)對(duì)襯砌的影響以及隧道內(nèi)煙氣排放[9-10],關(guān)于火災(zāi)對(duì)隧道混凝土路面的影響研究較少,本文以有限元軟件建模,研究了隧道路面在火災(zāi)下的響應(yīng)變化,為以后隧道路面火災(zāi)的研究提供參考.

1 路面模型建立

1.1 模型尺寸

為了更好地模擬隧道路面實(shí)際情況,使模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果更加真實(shí)有效,按照1∶1的比例采用Ansys軟件建立三維有限元模型如圖1所示.隧道縱向長(zhǎng)度取20 m,隧道半徑4.5 m,隧道高為7.55 m,路面層厚度為30 cm,斷面如圖2所示.建立模型時(shí)以隧道入口平面為xoy平面,豎向?yàn)閥方向,向上為正,橫向?yàn)閤方向,向右為正,沿隧道縱向?yàn)閦方向.火災(zāi)發(fā)生在路面10 m～12 m處,火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為2 h.在熱分析過(guò)程中,采用可用于瞬態(tài)熱分析的3D實(shí)體熱單元Solid70,在熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)采用與之對(duì)應(yīng)的Solid65單元.

圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元模型全圖

圖2 隧道路面斷面

1.2 材料參數(shù)

在隧道火災(zāi)模擬計(jì)算時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、溫度線膨脹系數(shù)等數(shù)值會(huì)隨著溫度和時(shí)間的改變而變化,因此需要確定熱工參數(shù)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)力的分析.在隧道火災(zāi)過(guò)程中,路面混凝土隨著溫度的升高體積膨脹.部分水分揮發(fā),導(dǎo)致混凝土的密度減小.模擬中所采用的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的選取參考?xì)W洲規(guī)范[11]計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示.線膨脹系數(shù)采用試驗(yàn)研究得到的混凝土函數(shù)公式(3).但與其他混凝土參數(shù)相比,密度變化較小,因此將混凝土的密度設(shè)為與溫度無(wú)關(guān)的常量,取值為2 400 kg/m3,泊松比取0.2[12],混凝土的熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 混凝土的熱力學(xué)參數(shù)

(1)

(2)

αC=(0.008T+6)×10-620 ℃≤T≤1 200 ℃

(3)

1.3 假定條件

(1) 混凝土在進(jìn)行高溫條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)是各向同性材料.路面為完全均勻和各向同性的連續(xù).

(2) 混凝土在經(jīng)歷高溫或火災(zāi)時(shí),自身不釋放和吸收熱量,熱量保持不變.

1.4 邊界條件

第1類邊界條件也稱為溫度邊界條件

T|Γ=T0;T|Γ=f(x,y,z,t)

(4)

式中,Γ為物體邊界;T0為已知溫度,℃.

第2類邊界條件也稱為熱流邊界條件

(5)

式中,Γ為物體邊界;q為熱流密度(常數(shù));K為材料的熱導(dǎo)系數(shù),W/(m·℃).

第3類邊界條件也稱為對(duì)流換熱邊界條件

(6)

式中,Tf為流體介質(zhì)溫度,℃;α為換熱系數(shù),W/(m2·℃).

本文采用第3類邊界條件,假定隧道內(nèi)為一個(gè)均勻的溫度場(chǎng),內(nèi)部溫度相同,采用常溫20 ℃.隧道的圍巖常處于山體之中,外界空氣、氣流等因素對(duì)其影響甚小,據(jù)文獻(xiàn)[13]研究結(jié)果表明,當(dāng)隧道路面發(fā)生火災(zāi)時(shí),溫度無(wú)法傳遞至圍巖附近,因此,忽略圍巖對(duì)隧道路面應(yīng)力產(chǎn)生的影響.此外,隧道自重的施加采用方式為對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加重力.

1.5 加載溫度

由于公路隧道火災(zāi)通常是以碳?xì)錇橹鞯幕旌匣馂?zāi),加載溫度曲線采用《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016-2014)[14]推薦的HC升溫曲線如公式(7)所示.

T=T0+1 080×(1-0.325×e-0.167×t-0.675×e-2.5×t)

(7)

式中,T為實(shí)時(shí)溫度,℃;T0為初始溫度,℃,取T0=20 ℃;t為火災(zāi)持續(xù)時(shí)間,min.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度分布

2.1.1 縱向溫度分布

發(fā)生火災(zāi)時(shí),高溫會(huì)造成隧道內(nèi)車輛的引燃及周圍管道設(shè)施的破壞,甚至導(dǎo)致人員受傷.同時(shí),考慮到隧道火災(zāi)溫度升高極快的特點(diǎn),在模型中模擬隧道火災(zāi)發(fā)生,觀察隧道火災(zāi)后2 h內(nèi)路面的溫度變化.

沿隧道縱向溫度隨距離分布云圖如圖3所示,中心區(qū)域?yàn)榛馂?zāi)中心位置,溫度最高,可達(dá)1 035.86 ℃.隨著與火災(zāi)中心距離的增加,區(qū)域顏色逐漸變淺,說(shuō)明溫度在逐漸向外傳遞,熱量逐漸向兩側(cè)延伸.在達(dá)到一定距離后顏色變?yōu)闇\色,此時(shí)溫度已接近常溫,說(shuō)明超過(guò)此范圍火災(zāi)將無(wú)法對(duì)隧道路面結(jié)構(gòu)造成影響.為了更加直觀地觀察隧道路面縱向溫度,將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,繪制縱向分布的溫度隨時(shí)間變化曲線,如圖4所示.圖4顯示,在火災(zāi)中心處溫度達(dá)到最高為1 035.86 ℃,這與溫度云圖一致.隨著溫度沿路面的擴(kuò)散,在火源兩側(cè)大致呈對(duì)稱分布,這是由于隨著距離的增加,高溫區(qū)域的煙霧不斷向低溫區(qū)域擴(kuò)散.隨著距離遠(yuǎn)離火災(zāi)中心,升溫速率逐漸降低,溫度也隨之降低.在4 m～8 m處曲線較為平緩,溫度緩慢增加;在8 m～10 m處曲線斜率急劇增加,溫度急速上升,這是因?yàn)? m～10 m更接近于火源中心位置,溫度擴(kuò)散速率更快,溫度變化更劇烈.

圖3 沿隧道縱向溫度隨距離分布云圖

圖4 沿隧道縱向溫度隨距離分布曲線

2.1.2 深度溫度分布

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),隧道結(jié)構(gòu)受到破壞,無(wú)法正常使用,會(huì)造成一系列問(wèn)題,因此研究隧道火災(zāi)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞程度,觀察其深度方向的溫度分布十分必要.

圖5為隧道路面深度方向溫度分布.由于混凝土的導(dǎo)熱惰性,當(dāng)深度逐漸加深時(shí),熱傳遞速率逐漸降低,溫度隨之降低.當(dāng)達(dá)到路面底層,即距離路表面300 mm時(shí),溫度已接近常溫狀態(tài)且保持穩(wěn)定,因此可以忽略隧道路面火災(zāi)對(duì)路面以下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響.由圖5可知,隨著深度的逐漸增加,溫度下降由非穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定階段,具體分為急劇下降階段、平緩下降階段以及趨于穩(wěn)定階段的狀態(tài).從路表到距離路表50 mm處溫度變化明顯,為急劇下降階段,此后溫度變化速率逐漸降低,進(jìn)入穩(wěn)定階段,在此階段熱量被消耗殆盡,路面底層混凝土層趨于常溫.

圖5 深度方向路面溫度隨距離變化

圖6給出了火源中心處路面厚度方向的溫度云圖.由圖6可知,最高溫度出現(xiàn)在路表面可達(dá)1 035.86 ℃,這與隧道縱向最高溫度一致,再次證明了模擬的正確性.隨著路面深度的增加,溫度云圖顏色逐漸變淺,溫度逐漸降低.

圖6 深度方向路面溫度云圖

圖5中,混凝土在距離路表100 mm處的溫度約為128 ℃,當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃時(shí)才會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生影響,故只對(duì)距離路表100 mm以內(nèi)的隧道混凝土路面進(jìn)行分析.圖7中給出在遭受火災(zāi)區(qū)域內(nèi)路面不同深度位置下溫度隨火災(zāi)時(shí)間的變化曲線.其中H0表示路面表面,H50表示距離路面表面50 mm,H100表示距離路面表面100 mm.

從圖7中可知,隨著路面深度的增加,溫度逐漸減小,同時(shí)各深度層面表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),即隨時(shí)間的增加溫度不斷上升.當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在路表面時(shí),溫度增長(zhǎng)隨時(shí)間變化較快,當(dāng)深度逐漸增大,溫度隨時(shí)間的變化逐漸減小.在火災(zāi)發(fā)生的路表面上,溫度增長(zhǎng)較快,隨時(shí)間的增加溫度可超過(guò)1 000 ℃.與表面相比,當(dāng)距離火災(zāi)深度達(dá)到50 mm時(shí),溫度隨時(shí)間的增加大幅度減小,當(dāng)深度達(dá)到100 mm時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度沒(méi)有明顯上升,基本保持在常溫.

2.2 溫度應(yīng)力分析

熱應(yīng)力,是發(fā)生溫度變化的物體與不能自由伸縮的其他物體之間產(chǎn)生的約束力,或是發(fā)生溫度變化的物體內(nèi)部之間相互約束所產(chǎn)生的應(yīng)力[9].當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),由于隧道內(nèi)部溫度急劇上升,導(dǎo)致熱應(yīng)力迅速增加,容易降低結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性.

2.2.1 縱向應(yīng)力分布

為了評(píng)價(jià)隧道路面在火災(zāi)作用下的應(yīng)力分布情況,本文綜合考慮了第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力.基于第四強(qiáng)度理論,對(duì)火災(zāi)下混凝隧道路面的Mises應(yīng)力進(jìn)行分析.圖8為隧道混凝土路面在縱向方向和沿路面深度方向的Mises分布曲線.

圖8 沿隧道方向等效應(yīng)力分布

由圖8可知,在火源中心處,Mises應(yīng)力最大為109.22 MPa,這是由于此處溫度最高,導(dǎo)致此處的溫度應(yīng)力最高.隨著距離火源中心位置距離的增加,Mises應(yīng)力逐漸降低,溫度也隨之降低,由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸降低.此外,Mises在火源中心位置兩側(cè)大致呈對(duì)稱分布,這與前面的溫度分析結(jié)果一致,從而再次證明了模擬的正確性.圖9給出了隧道縱向的Mises應(yīng)力云圖,由圖9可知,在隧道縱向云圖顏色逐漸變淺,對(duì)應(yīng)的最大Mises應(yīng)力逐漸降低,其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在火源中心位置.

圖9 沿隧道方向等效應(yīng)力云圖

2.2.2 深度方向應(yīng)力分布

圖10給出了火源中心位置隧道深度方向的Mises分布曲線.由圖10可知,最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在隧道路面表面,這是由于此處直接與火源接觸,使得該位置的溫度最高,溫度應(yīng)力最大.由于Mises綜合考慮了第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力及第三主應(yīng)力,因此在圖10中最小Mises應(yīng)力并非出現(xiàn)在隧道路面底層,而是在路基路面表面87.5 mm處,此后Mises應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定.由此可見(jiàn),在此范圍內(nèi)火災(zāi)對(duì)隧道路面產(chǎn)生了巨大影響,而超過(guò)此范圍,溫度對(duì)路面的影響逐漸降低,這與前面溫度分析結(jié)果85 mm基本一致.但由于隧道路面受自身自重、環(huán)境外力等的綜合影響,故Mises最小值與對(duì)混凝土物理力學(xué)性能影響可忽略的深度不完全相同,而是具有相同趨勢(shì).

圖10 深度方向等效應(yīng)力分布

圖11給出了隧道路面深度方向的Mises應(yīng)力云圖.由圖11可知,最大應(yīng)力出現(xiàn)在路面表面,這與前面分析一致.此外,由于路面與隧道接觸點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致Mises應(yīng)力高于其他地方.

圖11 深度方向等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

(1) 發(fā)生火災(zāi)時(shí),火源中心處的溫度最高且可達(dá)1 035.86 ℃.隨著距離火源中心位置距離的增加,溫度大致在火源中心兩側(cè)呈對(duì)稱分布.在4 m～8 m處溫度升高較為平緩,在8 m～10 m處溫度急劇上升,距離火源中心處熱量的劇烈波動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)溫度達(dá)到峰值,

(2) 在隧道路面深度方向,由于混凝土的導(dǎo)熱惰性,隨著深度的增加,溫度逐漸降低,路面表面溫度在50 min內(nèi)達(dá)到最高溫度且保持穩(wěn)定;在H50范圍內(nèi)溫度近似于線性增加,升溫較慢且最大溫度遠(yuǎn)低于路面表面,在路面底層已接近常溫且保持不變.

(3) 發(fā)生火災(zāi)時(shí),隧道路面Mises應(yīng)力最高出現(xiàn)在火源中心處,可達(dá)109.22 MPa,與溫度分布趨勢(shì)相同.在路面深度方向,Mises應(yīng)力在0 mm～87.5 mm范圍內(nèi)保持下降趨勢(shì),但在87.5 mm處應(yīng)力出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,Mises應(yīng)力在此之后增加并保持穩(wěn)定.