隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫后應(yīng)力應(yīng)變特性分析

■李文鍵

(寧德屏古高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352200)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫后應(yīng)力應(yīng)變特性分析

■李文鍵

(寧德屏古高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352200)

針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)溫度場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下的變形和承載力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)襯砌溫度升高后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生較大變化，應(yīng)力接近混凝土極限抗壓強(qiáng)度；在火災(zāi)過(guò)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。

襯砌結(jié)構(gòu) 應(yīng)力應(yīng)變 數(shù)值模擬 有效厚度

1 引言

隧道屬于特殊狹長(zhǎng)封閉結(jié)構(gòu)，通風(fēng)條件差，使得火災(zāi)成為隧道最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。隧道火災(zāi)所造成的損失是巨大的，尤其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響而言，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的坍塌或破壞。火災(zāi)后的損傷評(píng)估、修復(fù)加固以及正常使用功能的恢復(fù)都會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)數(shù)量的人力、物力和財(cái)力，甚至存在由于結(jié)構(gòu)被破壞而導(dǎo)致隧道無(wú)法修復(fù)的可能[1][2]。因此，深入研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)場(chǎng)景下的變形性能和承載力，對(duì)減輕火災(zāi)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞、提高隧道使用壽命具有重要的意義。

本文針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)建立有限元分析模型，分析在火災(zāi)場(chǎng)景下隧道變形和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的變化。

2 有限元分析的基本假定及計(jì)算模型

傳熱過(guò)程由導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三種形式組成。隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱空氣以對(duì)流和輻射向襯砌表面?zhèn)鬟f熱量，襯砌內(nèi)部主要以傳熱方式來(lái)傳遞熱量[3]。

2.1 基本假定

混凝土為各向同性材料，各方向傳熱系數(shù)相同；襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有熱量生成，混凝土內(nèi)的水分蒸發(fā)忽略不計(jì)；采用同濟(jì)大學(xué)閆治國(guó)等人成果，建立了隧道內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的升溫曲線、加載溫度，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成二維導(dǎo)熱問(wèn)題，沿隧道軸向一定范圍內(nèi)溫度認(rèn)為不變；由于鋼筋在襯砌結(jié)構(gòu)中所占的體積很小，計(jì)算時(shí)忽略鋼筋的影響；分析中，將三維隧道簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行分析，襯砌及圍巖采用四節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐帧?/p>

2.2 計(jì)算模型

數(shù)值分析采用地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，路面結(jié)構(gòu)以及隧道內(nèi)的附屬設(shè)施對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能影響較小，故不予考慮。幾何模型采用五心圓帶仰拱的形式。計(jì)算模型邊界范圍：在隧道橫向y軸取140m，隧道橫向x軸取120m，基本保證數(shù)值模擬邊界不受開挖干擾。兩側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)水平方向約束，底部邊界節(jié)點(diǎn)施加豎向約束，上邊界為地表自由邊界，可以自由沉降。原始應(yīng)力主要是自重應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算采用將襯砌和地層視為整體共同受力的統(tǒng)一體系，滿足變形協(xié)調(diào)前提下分別計(jì)算地層和襯砌的內(nèi)力。

以路面中心點(diǎn)為參照，將溫度分布分為兩個(gè)區(qū)，從π／4～3π／4角度處的襯砌點(diǎn)位為高溫區(qū)；其余襯砌點(diǎn)位為次高溫區(qū)。數(shù)值模擬所需要的地層物理、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)參照某隧道中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如下表1所示。表中，H為深度，E為彈性模量，μ為泊松比，C為內(nèi)聚力，φ為摩擦角，γ為重度。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫后應(yīng)力應(yīng)變特性

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)高溫后變形性能

對(duì)不同時(shí)刻(0、2、6、12、24h)隧道襯砌結(jié)構(gòu)二襯內(nèi)最大應(yīng)變分布云圖進(jìn)行模擬分析。

圖2 0 h最大應(yīng)變分布云圖

圖3 2 h最大應(yīng)變分布云圖

圖4 6 h最大應(yīng)變分布云圖

圖5 12 h最大應(yīng)變分布云圖

圖6 24 h最大應(yīng)變分布云圖

圖2～圖6分別為隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫過(guò)程中不同時(shí)刻的最大應(yīng)變分布云圖。分析表明當(dāng)襯砌溫度升高后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變發(fā)生較大變化，尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處。

在火災(zāi)高溫中，由于不均勻溫度分布，隧道襯砌結(jié)構(gòu)中截面各點(diǎn)產(chǎn)生不均勻的熱膨脹。然而，由于襯砌結(jié)構(gòu)受外界巖土、構(gòu)造應(yīng)力等作用，且由于混凝土力學(xué)性能的劣化，彈性模量降低，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形。表現(xiàn)為襯砌拱頂位移明顯的增加，拱頂位移量達(dá)到2.1mm，隧道襯砌拱頂位移隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 隧道二襯拱頂豎向位移隧道時(shí)間的變化曲線

由圖7可知，在升溫初始階段(0～1 h為升溫階段，其中0～0.5 h為升溫初始階段)，由于高溫下襯砌內(nèi)表面附近混凝土材料力學(xué)性能劣化而導(dǎo)致的變形大于不均勻熱膨脹導(dǎo)致的位移，表現(xiàn)為隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)下沉(向坐標(biāo)軸負(fù)方向)。當(dāng)升溫0.5 h后，隨著溫度向襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播和升高，襯砌混凝土受熱膨脹，膨脹產(chǎn)生的變形增大且占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為拱頂襯砌結(jié)構(gòu)正向(向坐標(biāo)軸正方向)變形，當(dāng)溫度開始降低時(shí)(2～6 h為降溫階段)，由固相變形和孔隙氣體膨脹導(dǎo)致的變形隧道溫度降低而減小，最終基本消失，而由升溫引起的混凝土化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的巨大膨脹變形不可恢復(fù)，與混凝土力學(xué)性能劣化產(chǎn)生的沉降疊加，表現(xiàn)為拱頂下沉?；炷磷匀焕鋮s后，其力學(xué)性能得到部分恢復(fù)，拱頂沉降略有減小。

上述分析表明，隧道火災(zāi)高溫時(shí)，襯砌會(huì)發(fā)生顯著變形，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響：

(1）襯砌結(jié)構(gòu)為超靜定體系，火災(zāi)高溫時(shí)，襯砌變形的增加、剛度的降低會(huì)引起襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，使得不同部位的結(jié)構(gòu)安全度發(fā)生變化，尤其是受火面溫度高，襯砌劣化最為嚴(yán)重，且溫度變形大，極易產(chǎn)生混凝土剝落、掉塊。當(dāng)火災(zāi)嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致非受火部位的襯砌結(jié)構(gòu)由于額外承受了受火部位結(jié)構(gòu)傳遞的荷載增量而發(fā)生破壞。

(2）火災(zāi)高溫時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的變形，不僅會(huì)劣化混凝土力學(xué)性能，同時(shí)也會(huì)降低隧道結(jié)構(gòu)防水性能，減少混凝土使用壽命，同時(shí)，若混凝土損傷嚴(yán)重、甚至局部脫落，也會(huì)影響隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境的安全。此外，當(dāng)降溫后，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形不能完全恢復(fù)，較大的殘余變形也會(huì)對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)高溫后承載力

對(duì)不同時(shí)刻(0、2、6、24h)二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖進(jìn)行模擬分析。

圖8 0 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

圖9 2 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

圖10 6 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

圖11 24 h二襯內(nèi)第一、三主應(yīng)力分布云圖

圖12 襯砌內(nèi)表面第一主應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

由圖8～圖13可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中，襯砌點(diǎn)位離受火面越近，其受火災(zāi)影響越嚴(yán)重，其應(yīng)力變化也越大。特別是第三主應(yīng)力，隨著溫度升高，受火一側(cè)混凝土壓應(yīng)力急劇增大，由未受火災(zāi)高溫時(shí)0.59MPa突變到27.04MPa，接近混凝土極限抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土有效厚度變薄，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性降低。

圖13 襯砌內(nèi)表面第三主應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

圖14 不同時(shí)刻襯砌拱頂豎軸線上第一主應(yīng)力隨深度的變化曲線

由圖14～圖15可知，在火災(zāi)高溫中，隨著隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土溫度的升高，由于混凝土熱膨脹和襯砌結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的劣化，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂截面上的第一、第三主應(yīng)力均增大，但增加的速率在減小，且趨于平緩。同時(shí)，第三主應(yīng)力受溫度影響較大，主要是因?yàn)橐r砌受熱膨脹，但是由于邊界的約束，襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)法伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致其應(yīng)力快速增長(zhǎng)。

圖15 不同時(shí)刻襯砌拱頂豎軸線上第三主應(yīng)力隨深度的變化曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中的變形過(guò)程進(jìn)行了研究，同時(shí)也對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中內(nèi)應(yīng)力重分布進(jìn)行了模擬，得出如下結(jié)論：(1）當(dāng)襯砌溫度升高后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變發(fā)生較大變化，尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處。

(2）襯砌點(diǎn)位離受火面越近，其受火災(zāi)影響越嚴(yán)重，其應(yīng)力變化也越大。特別是第三主應(yīng)力，隨著溫度升高，受火一側(cè)混凝土壓應(yīng)力急劇增大，超過(guò)混凝土極限抗壓強(qiáng)度，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性降低。

(3）隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫中產(chǎn)生較大的變形，同時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生重分布，結(jié)構(gòu)上的附加應(yīng)力顯著增加，容易造成結(jié)構(gòu)失效，特別是在火災(zāi)過(guò)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)性能的降低，承載能力大幅度下降，這極大地降低了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]沈奕.火災(zāi)下隧道結(jié)構(gòu)溫度特性及力學(xué)行為分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53(06)：80-88.

[2]周湘川.特長(zhǎng)公路隧道現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)試驗(yàn)與襯砌結(jié)構(gòu)抗火性能研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2011.

[3]韓泰然.火災(zāi)高溫下公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[4]閆治國(guó).隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)高溫力學(xué)行為及耐火方法研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.

[5]李凌志.火災(zāi)后混凝土材料力學(xué)性能與溫度、時(shí)間的關(guān)系[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[6]陳映貞，許肇峰，王勇平，魯昌河.高溫(火災(zāi))作用后混凝土殘余強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析[J].混凝土與水泥制品，2016，(09)：1-5.

[7]劉紅彬，李康樂，鞠楊，等.高強(qiáng)高性能混凝土的高溫力學(xué)性能和爆裂機(jī)理研究[J].混凝土，2009，(07)：11-14.

[8]查曉雄，鐘善桐.鋼筋混凝土構(gòu)件在受火時(shí)的力學(xué)性能分析[J].中華科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2002，(01)：86-90.