不同火災(zāi)規(guī)模下地下共用結(jié)構(gòu)安全性研究

金 威， 田 源， 閆自海， 王明年

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 311122； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，各大城市發(fā)展面臨著越來(lái)越大的地上空間制約和挑戰(zhàn)，地下空間資源的集約化、立體化高效利用被越來(lái)越多的城市所采用[1]。但由于隧道等地下空間結(jié)構(gòu)較為封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，其火勢(shì)迅猛、煙氣溫度高，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料性能造成較大的損傷劣化，進(jìn)而嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全性[2]。因此，地下空間結(jié)構(gòu)抗火安全性問(wèn)題研究十分重要。

目前，相關(guān)專家、學(xué)者已針對(duì)交通隧道等地下空間結(jié)構(gòu)的抗火安全性進(jìn)行了許多研究，并取得了一定成果。文獻(xiàn)[3]通過(guò)縮尺和足尺火災(zāi)試驗(yàn)等方式研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為及安全性評(píng)估方法，建立了結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全性的模糊綜合評(píng)估方法；文獻(xiàn)[4]采用有限元軟件ANSYS建立隧道地層-結(jié)構(gòu)模型，分析了火災(zāi)下公路隧道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布及溫度應(yīng)力大小，并給出了相應(yīng)的安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[5]通過(guò)數(shù)值模擬等研究手段對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的力學(xué)特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)保護(hù)措施；文獻(xiàn)[6]運(yùn)用可靠度理論對(duì)火災(zāi)下盾構(gòu)隧道極限承載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的可靠度進(jìn)行了分析，建立了基于可靠度理論的火災(zāi)后隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全評(píng)估模型；文獻(xiàn)[7]采用FDS分析了城市公路隧道的火災(zāi)場(chǎng)景以及火災(zāi)規(guī)模取值，為公路隧道結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。已有文獻(xiàn)對(duì)在火災(zāi)作用下單一形式隧道結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為及安全性評(píng)估方法等內(nèi)容進(jìn)行了研究，但針對(duì)城市地下共用結(jié)構(gòu)的抗火安全性研究仍不完善。

目前我國(guó)城市地下共用結(jié)構(gòu)建設(shè)數(shù)量及規(guī)模日益增大，在單洞隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)存在影響其他孔隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可能對(duì)共用結(jié)構(gòu)整體安全性造成不利影響，故此類結(jié)構(gòu)抗火安全性問(wèn)題也不容忽視?；诖?，本文以義烏商城大道隧道工程合建段為依托，采用有限元軟件ANSYS建立城市隧道共用結(jié)構(gòu)熱-力耦合數(shù)值模型，對(duì)不同火災(zāi)規(guī)模下結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為進(jìn)行分析，并通過(guò)確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)共用結(jié)構(gòu)的抗火安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期能夠?yàn)槌鞘械叵鹿灿媒Y(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概況

義烏市商城大道隧道工程建設(shè)內(nèi)容主要包括商城大道市政隧道工程、軌道交通地下車站、區(qū)間工程、綜合管廊工程，其中國(guó)貿(mào)大道至浙醫(yī)四院段的交通隧道、綜合管廊、軌道交通區(qū)間三者采用合建共用結(jié)構(gòu)，如圖1所示。結(jié)構(gòu)頂面距地面距離為4.1 m，結(jié)構(gòu)為矩形閉合框架，采用C35鋼筋混凝土，主筋采用HRB400，保護(hù)層厚度外側(cè)為50 mm、內(nèi)側(cè)為40 mm。該共用結(jié)構(gòu)以豎向合建為主、水平合建為輔，其中： 交通隧道為雙向6車道規(guī)模，僅限客車通行，布置在地下一層，隧道側(cè)墻厚度為900 mm，中隔墻厚度為600 mm，頂板和底板厚度均為1 200 mm；綜合管廊采用兩艙形式，設(shè)置高壓電力艙和水信電綜合艙，與交通隧道采用結(jié)構(gòu)共墻形式布置；軌道交通區(qū)間隧道位于地下二層中間位置，采用結(jié)構(gòu)共板形式，其側(cè)墻與商城大道交通隧道中墻對(duì)齊布置。同時(shí)，合建結(jié)構(gòu)場(chǎng)地地質(zhì)條件較好，覆蓋層較淺，以下為中、微風(fēng)化巖層，其地層土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 地下共用結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖(單位： m)

Fig. 1 Cross-section of underground combined structure (unit： m)

表1 地層土體物理力學(xué)參數(shù)

2 火災(zāi)下共用結(jié)構(gòu)熱-力耦合數(shù)值模擬

2.1 耦合模型建立

為研究火災(zāi)高溫作用下地下共用結(jié)構(gòu)的安全性，利用有限元軟件ANSYS建立非線性瞬態(tài)熱-力耦合分析模型進(jìn)行數(shù)值模擬。由于隧道火災(zāi)位置處煙氣溫度最高，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷也相應(yīng)為最大，故著重分析此位置處結(jié)構(gòu)橫斷面的抗火安全性。

在數(shù)值計(jì)算中采用平面模型，進(jìn)而將隧道簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題。共用結(jié)構(gòu)采用2維8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變耦合單元Plane223進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)與地層之間的相互作用通過(guò)彈簧單元Combin14進(jìn)行模擬，并在計(jì)算過(guò)程中逐漸刪除受拉彈簧單元，以模擬真實(shí)的地層約束及荷載作用，由此建立的共用結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。文獻(xiàn)[8]中通過(guò)試驗(yàn)對(duì)ANSYS熱-力耦合模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，其與本文模擬過(guò)程中所采用的單元類型、邊界條件及材料性能等基本相同，故可認(rèn)為所建立的耦合模型能夠較好地分析火災(zāi)高溫作用下隧道共用結(jié)構(gòu)的變形、溫度分布及應(yīng)力變化規(guī)律。

圖2 共用結(jié)構(gòu)熱-力耦合分析模型

Fig. 2 Thermal-mechanical coupling analysis model for combined structure

在進(jìn)行地下共用結(jié)構(gòu)熱-力耦合分析時(shí)，為簡(jiǎn)化模型，隧道混凝土可按各向同性的均質(zhì)材料考慮，并忽略結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分在火災(zāi)高溫下的蒸發(fā)以及局部混凝土爆裂對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)分析的影響。由于混凝土保護(hù)層的作用，鋼筋在火災(zāi)過(guò)程中損傷較小且火災(zāi)后其性能將會(huì)得到較大恢復(fù)[9]，可以根據(jù)彎曲剛度等效原則對(duì)火災(zāi)高溫下鋼筋混凝土等效彈性模量進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示[10]。同時(shí)，共用結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋所占體積較小，故不考慮鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響?；炷敛牧显诟邷刈饔孟碌臒峁ば阅芎土W(xué)性能均會(huì)發(fā)生非線性變化，其導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹變形、彈性模量等可由式(2)—(6)進(jìn)行計(jì)算[11-13]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

此外，模型初始溫度設(shè)為20 ℃，并將襯砌結(jié)構(gòu)受火面邊界條件取為第三類熱邊界條件，即與襯砌受火面接觸的高溫?zé)煔鉁囟纫约皳Q熱系數(shù)已知，其中綜合換熱系數(shù)h可由式(7)進(jìn)行計(jì)算[14]。

h=7.05×et/372.55+0.84。

(7)

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

確定合適的火災(zāi)場(chǎng)景是隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性研究的基礎(chǔ)依據(jù)，目前常用以下2種方式來(lái)定量描述隧道火災(zāi)場(chǎng)景，即熱釋放速率法和溫升曲線法。由圖1可以看出，城市交通隧道左孔左右兩側(cè)分別與綜合管廊和交通隧道右孔共墻合建，且其下方與軌道交通區(qū)間共板合建，此處合建范圍為最大，故考慮城市交通隧道左孔發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)其相鄰共用結(jié)構(gòu)影響范圍相應(yīng)亦為最大，同時(shí)由于隧道內(nèi)僅限客車通行；因此，本文采用熱釋放速率法重點(diǎn)研究在交通隧道左孔發(fā)生不同火災(zāi)規(guī)模時(shí)對(duì)共用結(jié)構(gòu)整體安全性的影響。依據(jù)EU-REKA499隧道火災(zāi)試驗(yàn)和PIARC研究報(bào)告可認(rèn)為，在公路隧道火災(zāi)中，不同類型客車的火災(zāi)規(guī)模及其最高溫度取值如表2所示，并在不考慮隧道主動(dòng)消防措施的情況下火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為120 min[15-16]。

表2隧道火災(zāi)規(guī)模及其最高溫度

Table 2 Tunnel fire scales and corresponding maximum temperatures

客車類型火災(zāi)規(guī)模/MW最高溫度/℃小型2.5～5.0200中型10.0～15.0500大型20.0～30.0800

同時(shí)，對(duì)于汽車火災(zāi)而言，隧道斷面溫度的橫向分布規(guī)律為結(jié)構(gòu)頂部溫度最高、路面附近溫度最低，并按照線性規(guī)律過(guò)渡，可由式(8)表示[17]。

(8)

式中：H為隧道高度，m；y為斷面上任一點(diǎn)距路面的距離，m；ty為斷面上距路面y處的煙氣溫度，℃；tH和tR分別為斷面結(jié)構(gòu)頂部和路面附近的煙氣溫度，℃。

2.3 判定標(biāo)準(zhǔn)確定

參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中相關(guān)規(guī)定可知，按照破損階段檢算隧道結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的荷載組合不同，應(yīng)選用不同的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)可依據(jù)表3進(jìn)行取值。本文共用結(jié)構(gòu)熱-力耦合計(jì)算過(guò)程中所施加荷載主要包括隧道結(jié)構(gòu)自身承受的地層荷載以及由火災(zāi)高溫所引起的附加荷載(屬于其他可變荷載)，故在后續(xù)模擬結(jié)果及分析過(guò)程中確定其安全性判定標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在混凝土受壓時(shí)不小于1.7，而在混凝土受拉時(shí)不小于2.0。

表3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

Table 3 Strength safety coefficient of reinforced concrete structures

荷載組合混凝土達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度永久荷載+基本可變荷載2.02.4永久荷載+基本可變荷載+其他可變荷載1.72.0

因此，在隧道共用結(jié)構(gòu)的共板及共墻等重要位置處共選取10個(gè)特征截面進(jìn)行分析，如圖3所示。按破損階段法檢算火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全系數(shù)是否滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，即通過(guò)ANSYS提取共用結(jié)構(gòu)火災(zāi)后相應(yīng)截面外側(cè)及內(nèi)側(cè)2個(gè)節(jié)點(diǎn)的切向應(yīng)力，并利用式(9)和式(10)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)截面處的彎矩M和軸力N[19]，進(jìn)而依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中結(jié)構(gòu)計(jì)算公式得到其安全系數(shù)，從而可依據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)判斷不同火災(zāi)規(guī)模下共用結(jié)構(gòu)的整體安全性。

(9)

(10)

式(9)—(10)中：b為混凝土結(jié)構(gòu)截面寬度，m；h為混凝土結(jié)構(gòu)截面厚度，m。

圖3 隧道共用結(jié)構(gòu)所選截面示意

Fig. 3 Schematic diagram of selected cross-section of combined structure

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 火災(zāi)規(guī)模2.5～5 MW時(shí)共用結(jié)構(gòu)安全性分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在城市交通隧道左孔，火災(zāi)規(guī)模為2.5～5 MW，即最高溫度為200 ℃時(shí)，不考慮防火涂料的影響，建立相應(yīng)的非線性熱-力耦合瞬態(tài)分析模型進(jìn)行模擬，可知： 結(jié)構(gòu)受火120 min后其最大水平位移可達(dá)2.06 mm，出現(xiàn)在軌道交通區(qū)間隧道邊墻位置處；最大豎向位移為-4.39 mm，出現(xiàn)在交通隧道左孔結(jié)構(gòu)頂板位置處；而交通隧道右孔結(jié)構(gòu)頂板豎向位移為-4.18 mm，如圖4所示。結(jié)構(gòu)頂板處溫度最高，為86.8 ℃，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布如圖5所示。同時(shí)，提取上述地下共用結(jié)構(gòu)火災(zāi)后相應(yīng)截面的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)，如表4所示?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)均滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，故在火災(zāi)規(guī)模為2.5～5 MW且受火120 min時(shí)地下共用結(jié)構(gòu)整體安全。

圖4 火災(zāi)規(guī)模2.5～5 MW受火120 min時(shí)結(jié)構(gòu)變形圖

Fig. 4 Deformation of structure with fire scale of 2.5～5 MW for 120 minutes

圖5火災(zāi)規(guī)模2.5～5MW受火120min時(shí)結(jié)構(gòu)溫度分布(單位： ℃)

Fig. 5 Temperature distribution of structure with fire scale of 2.5～5 MW for 120 minutes (unit: ℃)

表4火災(zāi)規(guī)模2.5～5MW受火120min時(shí)結(jié)構(gòu)各截面安全性分析

Table 4 Cross-section safety analysis of structure with fire scale of 2.5～5 MW for 120 minutes

截面位置安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)安全性126.24拉安全29.10拉安全32.05拉安全410.13拉安全520.21壓安全截面位置安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)安全性67.97拉安全77.04壓安全827.59壓安全92.69拉安全104.20拉安全

圖6和圖7分別示出交通隧道左孔火災(zāi)規(guī)模為2.5～5 MW時(shí)共用結(jié)構(gòu)部分截面在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)力變化情況?？梢?jiàn)，火災(zāi)規(guī)模為2.5～5 MW的情況下相鄰共用結(jié)構(gòu)各截面應(yīng)力基本保持不變，故可認(rèn)為隧道內(nèi)小型客車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，受火結(jié)構(gòu)對(duì)其相鄰共用結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響，且可保證地下共用結(jié)構(gòu)整體安全。

圖6 火災(zāi)規(guī)模為2.5～5 MW時(shí)結(jié)構(gòu)部分截面水平應(yīng)力變化

Fig. 6 Horizontal stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 2.5～5 MW

圖7 火災(zāi)規(guī)模為2.5～5 MW時(shí)結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

Fig. 7 Vertical stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 2.5～5 MW

3.2 火災(zāi)規(guī)模10～15 MW時(shí)共用結(jié)構(gòu)安全性分析

當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為10～15 MW時(shí)，共用結(jié)構(gòu)受火120 min后其最大水平位移為2.06 mm，出現(xiàn)在軌道交通區(qū)間隧道邊墻位置處；最大豎向位移增至-5.21 mm，出現(xiàn)在交通隧道左孔結(jié)構(gòu)頂板位置處；而交通隧道右孔結(jié)構(gòu)頂板豎向位移則減小至-3.31 mm，如圖8所示。結(jié)構(gòu)頂板處溫度最高，為293.5 ℃，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布如圖9所示。同理，提取上述地下共用結(jié)構(gòu)火災(zāi)后相應(yīng)截面的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，并計(jì)算得到結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)，如表5所示?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)亦均滿足判定標(biāo)準(zhǔn)，故在火災(zāi)規(guī)模為10～15 MW且受火120 min時(shí)地下共用結(jié)構(gòu)整體安全。

圖8 火災(zāi)規(guī)模10～15 MW受火120 min時(shí)結(jié)構(gòu)變形圖

Fig. 8 Deformation of structure with fire scale of 10～15 MW for 120 minutes

圖9火災(zāi)規(guī)模10～15MW受火120min時(shí)結(jié)構(gòu)溫度分布(單位: ℃)

Fig. 9 Temperature distribution of structure with fire scale of 10～15 MW for 120 minutes (unit: ℃)

表5火災(zāi)規(guī)模10～15MW受火120min時(shí)結(jié)構(gòu)各截面安全性分析

Table 5 Cross-section safety analysis of structure with fire scale of 10～15 MW for 120 minutes

截面位置安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)安全性114.29拉安全28.00壓安全33.01拉安全411.31拉安全516.63壓安全截面位置安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)安全性61.98壓安全72.81壓安全827.35壓安全92.66拉安全104.13拉安全

圖10和圖11分別示出交通隧道左孔火災(zāi)規(guī)模為10～15 MW時(shí)共用結(jié)構(gòu)部分截面在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)力變化情況?？梢?jiàn)，火災(zāi)規(guī)模為10～15 MW的情況下相鄰水平共用結(jié)構(gòu)各截面應(yīng)力變化程度較小，且豎向共用結(jié)構(gòu)應(yīng)變基本保持不變，故可認(rèn)為隧道內(nèi)中型客車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，受火結(jié)構(gòu)對(duì)其相鄰共用結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響，且可保證地下共用結(jié)構(gòu)整體安全。

圖10 火災(zāi)規(guī)模為10～15 MW時(shí)結(jié)構(gòu)部分截面水平應(yīng)力變化

Fig. 10 Horizontal stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 10～15 MW

圖11 火災(zāi)規(guī)模為10～15 MW時(shí)結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

Fig. 11 Vertical stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 10～15 MW

3.3 火災(zāi)規(guī)模20～30 MW時(shí)共用結(jié)構(gòu)安全性分析

當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為20～30 MW時(shí)，共用結(jié)構(gòu)受火120 min后其最大水平位移增至3.51 mm，出現(xiàn)在交通隧道中隔墻位置處；最大豎向位移高達(dá)-8.71 mm，同樣出現(xiàn)在交通隧道左孔結(jié)構(gòu)頂板位置處；此時(shí)交通隧道右孔結(jié)構(gòu)頂板豎向位移為-2.91 mm，如圖12所示?？梢?jiàn)，火災(zāi)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大會(huì)使得混凝土力學(xué)性能劣化程度愈加嚴(yán)重，在地層荷載作用下受火結(jié)構(gòu)頂板豎向位移將急劇增大，而其相鄰水平共用結(jié)構(gòu)頂板豎向位移逐漸減小，進(jìn)而改變了地下共用結(jié)構(gòu)的整體變形形態(tài)。結(jié)構(gòu)頂板處溫度最高，為673.5 ℃，由于混凝土材料的熱惰性，受火結(jié)構(gòu)內(nèi)形成較大的溫度梯度，但其相鄰共用結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)均未受到火災(zāi)高溫的影響，如圖13所示。同理，提取上述地下共用結(jié)構(gòu)火災(zāi)后相應(yīng)截面的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并計(jì)算得到結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)，如表6所示?？梢?jiàn)，隨著火災(zāi)規(guī)模的增大，共用結(jié)構(gòu)不同部位的安全性隨之發(fā)生變化，但其在受火120 min時(shí)各截面安全系數(shù)亦均滿足判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 火災(zāi)規(guī)模20～30 MW受火120 min時(shí)結(jié)構(gòu)變形圖

Fig. 12 Deformation of structure with fire scale of 20～30 MW for 120 minutes

圖13火災(zāi)規(guī)模20～30MW受火120min時(shí)結(jié)構(gòu)溫度分布(單位: ℃)

Fig. 13 Temperature distribution ofstructure with fire scale of 20～30 MW for 120 minutes (unit: ℃)

表6火災(zāi)規(guī)模20～30MW受火120min時(shí)結(jié)構(gòu)各截面安全性分析

Table 6 Cross-section safety analysis of structure with fire scale of 20～30 MW for 120 minutes

截面位置安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)安全性18.36拉安全22.34壓安全313.26拉安全411.09拉安全514.15壓安全截面位置安全系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)安全性61.75壓安全72.12壓安全811.33拉安全92.55拉安全104.65拉安全

圖14和圖15分別示出交通隧道左孔火災(zāi)規(guī)模為20～30 MW時(shí)共用結(jié)構(gòu)部分截面在火災(zāi)過(guò)程中的應(yīng)力變化情況。可見(jiàn)，作為超靜定結(jié)構(gòu)體系，隧道共用結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫作用下會(huì)發(fā)生顯著的應(yīng)力重分布，與受火結(jié)構(gòu)水平共用的綜合管廊及交通隧道右孔在火災(zāi)作用下其結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力變化較大，其變化幅度最大超過(guò)50%，而與其豎向共用的軌道交通區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力變化較小。因此，可認(rèn)為隧道內(nèi)大型車輛發(fā)生火災(zāi)時(shí)，受火結(jié)構(gòu)對(duì)其相鄰水平共用結(jié)構(gòu)影響較大，而對(duì)其他共用結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響，但亦可保證地下共用結(jié)構(gòu)整體安全。

圖14 火災(zāi)規(guī)模為20～30 MW時(shí)結(jié)構(gòu)部分截面水平應(yīng)力變化

Fig. 14 Horizontal stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 20～30 MW

圖15 火災(zāi)規(guī)模為20～30 MW時(shí)結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

Fig. 15 Vertical stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 20～30 MW

4 結(jié)論與討論

通過(guò)建立ANSYS熱-力耦合模型對(duì)隧道共用結(jié)構(gòu)在不同火災(zāi)規(guī)模下的位移、應(yīng)力變化規(guī)律以及結(jié)構(gòu)各截面的安全系數(shù)進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

1)隧道內(nèi)火災(zāi)規(guī)模的擴(kuò)大會(huì)使得混凝土力學(xué)性能劣化程度愈加嚴(yán)重，在地層荷載的作用下受火結(jié)構(gòu)的頂板位移將急劇增大，同時(shí)相鄰水平共用結(jié)構(gòu)頂板位移逐漸減小，進(jìn)而改變了地下共用結(jié)構(gòu)的整體變形形態(tài)。

2)作為超靜定結(jié)構(gòu)體系，隧道共用結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布，且其應(yīng)力變化程度隨火災(zāi)規(guī)模的增大而顯著增大。當(dāng)隧道火災(zāi)規(guī)模為30 MW且火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為120 min時(shí)，結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力變化幅度最大超過(guò)50%。

3)當(dāng)隧道內(nèi)中、小型客車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，受火結(jié)構(gòu)對(duì)其相鄰共用結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響；而大型客車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，受火結(jié)構(gòu)對(duì)其相鄰的水平共用結(jié)構(gòu)安全性有較大影響，而對(duì)豎向共用結(jié)構(gòu)影響較小，但均能保證地下共用結(jié)構(gòu)整體安全。

本文尚未考慮不同火災(zāi)位置、不同受火時(shí)間等火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)地下共用結(jié)構(gòu)安全性的影響，故后續(xù)將會(huì)針對(duì)上述因素進(jìn)行深入研究。