公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术研究

论文摘要

山区公路隧道由于其结构狭长、空间小、道路窄、通风条件差、受火温度高等特点,一旦发生火灾,不能及时扑灭,后果极其严重。大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外,还会由于高温导致混凝土爆裂和力学性能的劣化,对衬砌结构产生不同程度的损坏,大大降低结构的承载力和安全性。火灾后,如何快速准确评估火灾高温对衬砌结构的损伤情况,及时制定隧道结构修复方案和加固补强方案,保证隧道结构的安全等方面有着实际的意义。本论文的主要研究工作如下:①采用数控高温电炉加热方式,进行公路隧道衬砌结构混凝土试块烧蚀试验。通过四种不同等级（C20、C25、C30、C35）的隧道衬砌材料,四种受火温度（300℃、600℃、750℃、900℃）和三种受火时间（1小时、2小时、4小时）火损组合试验,深入研究分析衬砌材料的损伤表观特征和力学性能劣化,获得了强度、烧蚀厚度等物理力学指标与受火温度、时间的定量关系,获得回归数理方程;根据试验结果,分析评定了衬砌结构材料的火灾损伤程度,为隧道衬砌结构的承载力计算提供了理论依据。②建立了一种火灾工况下的隧道衬砌结构计算模型“广义荷载-结构模型”。该模型为改进的荷载结构法,改梁单元为平面应变单元,实现了火灾工况与围岩荷载工况耦合;考虑了不同火灾场规模与衬砌内部温度大小之间的关系,材料参数选取方法与常规荷载结构法不同,实现了沿衬砌截面厚度方向定义衬砌截面各层的弹性模量值、泊松比等力学参数;可求得任意截面沿厚度方向的各应力值,便于分析衬砌任意截面内部应力的变化情况和确定损伤程度。③基于烧蚀试验与“广义荷载-结构模型”,建立了火灾工况下两车道公路隧道衬砌结构安全性评估方法。以浅埋Ⅴ级围岩衬砌结构为例,详细分析了小汽车、公交车、重型货车、油罐车燃烧后,拱顶、拱腰、边墙等关键点沿衬砌厚度方向的应力变化。对比了衬砌厚度减薄前和减薄5cm、10cm、15cm、20cm后的结构承载力计算,应力较完整时均有所增加,但增加幅度没有超过原来的35%;衬砌整体结构在结构设计中,一般安全系数为2～3,即使衬砌减薄后,其应力增加幅度达到原来的35%,在结构设计安全系数的前提下损坏后的衬砌并不会超过其容许应力,虽然安全系数会降低,但结构仍然稳定。因此,可以排除拆毁衬砌结构的方案,仅需对损毁的衬砌结构进行修复补强。④系统研究了衬砌火灾损伤的检测方法,制定了现场火灾调查表,给出了损伤评价分级表,为火灾后隧道修复加固提供理论依据。⑤将上述成果应用于广韶高速公路大宝山隧道,对火灾现场试验数据进行了分析和研究,然后对每个断面的损伤等级做了评价,得出一些具有工程指导意义的现象和结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.1.1 国内外公路隧道火灾
• 1.1.2 公路隧道火灾的发生原因
• 1.1.3 公路隧道火灾的特点
• 1.1.4 隧道受火后衬砌结构的破坏形式
• 1.1.5 研究的目的和意义
• 1.2 国内外隧道防火研究现状及趋势
• 1.2.1 国内外相关的研究组织与机构
• 1.2.2 国内外开展的隧道防火安全研究项目
• 1.2.3 隧道火灾安全方面的防灾法规、耐火性能及耐火对策
• 1.2.4 高温钢筋混凝土结构的检测研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 依托工程
• 第二章 公路隧道火灾场景分析
• 2.1 标准火灾曲线
• 2.1.1 ISO 834 曲线
• 2.1.2 HC 曲线
• 2.1.3 同济大学基准曲线
• 2.2 基于标准火灾曲线的公路隧道火灾场景
• 2.3 公路隧道火灾时间和温度变化情况
• 2.3.1 火灾最高温度
• 2.3.2 火灾最高温度持续时间
• 2.4 本章小结
• 第三章 衬砌混凝土试块烧蚀实验
• 3.1 实验原理与方法
• 3.2 试验仪器
• 3.3 试验试块的基本情况
• 3.4 衬砌混凝土材料火损情况检测
• 3.4.1 表面观测法
• 3.4.2 混凝土衬砌材料火损后的抗压强度试验结果及分析
• 3.4.3 超声波法检测
• 3.5 本章小结
• 第四章 火灾工况下的衬砌结构承载力计算模型
• 4.1 常规荷载-结构模型
• 4.1.1 荷载-结构法基本原理
• 4.1.2 浅埋公路隧道围岩压力荷载计算
• 4.1.3 局部变形理论
• 4.1.4 梁单元有限元刚度矩阵
• 4.1.5 常规荷载-结构法的局限性
• 4.2 广义荷载-结构模型（火灾工况下）
• 4.2.1 弹簧-平面应变单元耦合体系
• 4.2.2 火灾工况选取原则
• 4.2.3 截面温度分布计算方法
• 4.2.4 火灾工况下材料参数取值方法
• 4.2.5 平面应变有限元刚度矩阵
• 4.2.6 节点力荷载计算方法
• 4.3 数值计算结果处理方法
• 4.3.1 衬砌结构的高温截面承载力的计算理论
• 4.3.2 高温下截面承载力的计算方法（等效截面法）
• 4.4 小结
• 第五章 两车道公路隧道承载力计算分析
• 5.1 隧道工程设计概况
• 5.2 数值计算步骤
• 5.3 数值模拟工况结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 火灾后衬砌结构的损伤评定
• 6.1 评价方法
• 6.1.1 火灾后隧道现场评价方法
• 6.1.2 模型试验评价方法
• 6.2 评价判定
• 6.2.1 衬砌材料烧伤程度的评定
• 6.2.2 火灾后衬砌材料的残余强度的评定
• 6.2.3 浅埋公路隧道衬砌结构火灾损伤评定
• 6.3 隧道火灾后修复加固
• 6.4 本章小结
• 第七章 工程应用
• 7.1 火灾情况简述
• 7.2 隧道地质和设计概况
• 7.2.1 工程地质情况
• 7.2.2 水文地质情况
• 7.2.3 不良地质情况
• 7.2.4 隧道原设计情况简介
• 7.3 检测依据
• 7.4 表观检测检查结果
• 7.5 衬砌混凝土性能超声检测
• 7.6 碳化深度检测
• 7.7 衬砌材料力学性能损伤检测
• 7.8 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 进一步工作方向
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果