隧道火灾下衬砌结构安全性能研究

论文摘要

由于隧道火灾事故的不可避免性和高危险性,隧道火灾研究已引起各方的高度重视。衬砌结构的安全性能是隧道防火的一个重要领域,因此对衬砌结构火灾下安全性能的评定已成为了重要课题。本文参照国内外的火灾案例及试验结果,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对火灾下衬砌结构的安全性能进行了深入研究,自主建立了一套基于数值分析的评定体系。研究内容主要包括:(1)提出根据隧道火灾时的烟气分布规律拟定高温荷载曲线,运用地层结构法建立围岩与衬砌的整体模型,进行有限元求解。在温度场分析结果的基础上,计算温度最高截面的刚度折减,从而判明衬砌烧伤程度。工程实例分析表明拱顶的烧伤最为严重。(2)应用了传统的温度—应力耦合理论,探索了火灾下衬砌结构强度评定的新思路:初始应力场分析→高温应力场分析→高温内力场分析→强度安全系数检算。初始应力场的分析是进行后续分析的基础,内力场可通过对高温应力场的积分获得,强度检算可根据受弯或偏心受压截面进行计算。工程实例分析表明,拱顶是受力最为薄弱的区域,可能出现较大的塑性区域。(3)根据圆拱结构稳定理论,采用有限元法进行非线性屈曲分析。分析中对拱顶截面可能出现的塑性铰区域采用添加一个单向铰模拟,衬砌断面根据等效抗火截面法进行折减。分析采用荷载逐步累加法,直至结构失稳,得出极限屈曲荷载,然后对比火灾下衬砌结构的内力值,判断其稳定性。(4)借鉴一般地面建筑物安全性能的评定方法,提出了火灾下衬砌结构安全性能的评定流程体系,将其应用于苍岭隧道火灾后衬砌结构的安全性能评价中,从衬砌烧伤程度、结构强度、结构稳定性三方面给出了相应的评价结果,为日后该领域的工程咨询评估及科研工作的开展提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.1.1 国内外隧道火灾情况
• 1.1.2 隧道火灾的特点
• 1.1.3 研究的目的和意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究的主要内容
• 第二章 火灾下衬砌结构的温度场分析及刚度评定
• 2.1 概述
• 2.2 材料的热工参数
• 2.2.1 衬砌混凝土的热工参数
• 2.2.2 钢筋的热工参数
• 2.2.3 围岩介质的热工参数
• 2.3 温度场分析理论基础
• 2.3.1 基本假定
• 2.3.2 热传导方程及定解条件
• 2.3.3 火灾时高温荷载的确定
• 2.4 衬砌烧伤程度的试验成果
• 2.5 火灾下衬砌结构刚度评定
• 2.6 本章小结
• 第三章 火灾下衬砌结构的强度评定
• 3.1 概述
• 3.2 材料的高温力学参数
• 3.2.1 混凝土的高温力学参数
• 3.2.2 钢筋的高温力学参数
• 3.2.3 围岩介质的力学参数
• 3.3 火灾下衬砌应力场分析方法
• 3.3.1 分析方法的选择
• 3.3.2 温度—应力耦合的分析步骤
• 3.3.3 温度—应力耦合本构关系
• 3.4 结构强度安全系数评定
• 3.4.1 评定方法
• 3.4.2 评定准则
• 3.5 本章小结
• 第四章 火灾下衬砌结构稳定性分析
• 4.1 概述
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 圆拱屈曲的微分方程
• 4.2.2 圆拱屈曲的临界荷载
• 4.3 分析方法的选择
• 4.4 等效抗火截面
• 4.5 本章小结
• 第五章 火灾下衬砌结构安全性能综合评定体系
• 5.1 概述
• 5.2 评价体系的流程及操作方法
• 5.3 评价体系的评定准则确定
• 5.4 火灾下衬砌结构安全性能评定实例
• 5.4.1 ANSYS软件介绍
• 5.4.2 工程实例背景
• 5.4.3 模型建立及参数选取
• 5.4.4 温度场分析及刚度评定
• 5.4.5 强度评定
• 5.4.6 稳定性评定
• 5.4.7 综合评定结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题以及需进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目