公路隧道复合式衬砌结构在不同火灾场景下的安全性研究

论文摘要

随着公路隧道的大量修建,隧道内各种灾害也频繁发生,尤其以火灾危害最大,给人们的生产生活造成重大影响。隧道火灾产生的高温,将严重影响隧道衬砌结构的安全性能。因此,对衬砌结构火灾下安全性的评价以及如何提高衬砌结构的防火性能已经成为一个重要的问题。本文参照国内外的火灾案例以及前人的试验结果,通过数值模拟的方法,分析了公路隧道火灾场景以及衬砌结构温度场分布情况,分别研究了加强初次支护和二次衬砌两种情况下的防火性能,建立了高温下衬砌结构安全评价准则。主要研究内容：通过公路隧道火灾案例的研究,分析了影响火灾规模大小的因素,总结隧道火灾的特点,选取了隧道火灾中具有代表性的中型汽车火灾进行分析；采用CFD通用软件FLUENT,通过简化数学模型,模拟了隧道内可能的的温度场分布情况、建立了隧道内拱顶和拱腰处的温度—时间曲线：采用ANSYS软件,利用地层—结构法模拟了公路复合式衬砌隧道温度应力,给出了二次衬砌结构内温度场分布和温度应力的大小以及分布情况；分析了加强初期支护和二次衬砌两种情况下,温度应力的变化情况；参照公路隧道设计规范,并考虑强度损失对结构安全性的影响,建立了相应的安全评价准则。主要结论：1)火灾发生时,隧道内温度场分布极为复杂,火源热释放率以及通风风速对火灾温度场分布影响较大；采用HC升温曲线,对于30WM火灾规模进行防火设计偏于安全。2)隧道衬砌内部温度应力分布极不均匀,最大值出现在拱顶处,仰拱处次之,边墙处最低。3)加强二次衬砌情况下,隧道拱顶处温度应力有所降低,在采用结构组成形式进行防火设计时,建议加强二次衬砌来提高隧道的防火性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 公路隧道火灾事故
• 1.1.2 公路隧道火灾特点
• 1.1.3 公路隧道火灾的研究方法
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外公路隧道火灾研究发展状况
• 1.2.2 国内公路隧道火灾研究发展状况
• 1.3 本文研究思路、主要工作及创新点
• 第2章 公路隧道火灾场景设计
• 2.1 火灾场景的定义
• 2.2 公路隧道火灾场景关键参数的设定
• 2.2.1 火灾升温速率
• 2.2.2 火灾中热释放速率的确定
• 2.2.3 火灾持续时间
• 2.2.4 火灾升温曲线
• 2.2.5 火灾温度场空间分布
• 2.3 本章小结
• 第3章 公路隧道火灾场景CFD数值模拟分析
• 3.1 CFD软件介绍
• 3.2 CFD理论基础
• 3.3 CFD求解方法
• 3.4 CFD模型的建立
• 3.4.1 物理模型介绍
• 3.4.2 火源的分类
• 3.4.3 定解条件
• 3.4.4 基本假定
• 3.5 CFD火灾场景数值模拟分析
• 3.5.1 纵断面温度场分布
• 3.5.2 横断面温度场分布
• 3.5.3 温度随时间变化
• 3.6 本章小结
• 第4章 ANSYS热应力分析
• 4.1. ANSYS软件介绍
• 4.2. ANSYS热应力分析理论基础
• 4.2.1 控制方程组
• 4.3 高温下材料的力学参数
• 4.4 工程概况
• 4.5 数学模型的建立
• 4.5.1 基本假定及边界条件
• 4.5.2 物理过程描述
• 4.6 火灾下隧道衬砌结构温度场分布
• 4.7 火灾下隧道衬砌结构温度应力分布
• 4.8 本章小结
• 第5章 火灾下公路隧道复合式衬砌结构安全性评价
• 5.1 加强初期支护下的结构安全性
• 5.2 加强二次衬砌下的结构安全性
• 5.3 本章结论
• 第6章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 后记
• 攻读硕士学位期间论文发表情况