城市隧道合建結(jié)構(gòu)整體抗火安全性研究

田源，王明年，郭曉晗，胡蕭越，閆自海

城市隧道合建結(jié)構(gòu)整體抗火安全性研究

田源1, 2，王明年1, 2，郭曉晗1, 2，胡蕭越1, 2，閆自海3

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3. 中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

城市隧道合建結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)時，會對其合建相鄰結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布造成一定影響，進(jìn)而威脅整體結(jié)構(gòu)的抗火安全性能。以義烏商城大道隧道工程為依托，采用有限元軟件ANSYS建立合建結(jié)構(gòu)熱-力耦合瞬態(tài)分析模型，考慮火災(zāi)高溫對材料性能的非線性影響，依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性標(biāo)準(zhǔn)對不同火災(zāi)模式下合建結(jié)構(gòu)的整體抗火安全性能進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，火災(zāi)高溫作用使得地下合建結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的應(yīng)力重分布，但由于混凝土材料的熱惰性，將不會對與受火結(jié)構(gòu)合建的相鄰結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場造成影響；當(dāng)隧道火災(zāi)規(guī)模為30 MW且持續(xù)120 min時，受火結(jié)構(gòu)表面最高溫度可達(dá)673.5 ℃，且距離受火面25 mm處的溫度為483.3 ℃，均不滿足結(jié)構(gòu)抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)，需采取一定的防火措施；且受火結(jié)構(gòu)對與其水平合建的相鄰結(jié)構(gòu)應(yīng)力及安全性有較大影響，其應(yīng)力變化幅度最大超過50%，而對豎向合建結(jié)構(gòu)影響較小，但均能保證整體結(jié)構(gòu)體系的承載能力；建議施作導(dǎo)熱系數(shù)小于0.15 W/(m·℃)，厚度大于12 mm的防火涂料以降低火災(zāi)所引起的結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)力及損傷，進(jìn)一步提高合建結(jié)構(gòu)整體抗火安全性能。

城市隧道；合建結(jié)構(gòu)；抗火性能；安全系數(shù)；防火涂料

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，為了緩解城市道路交通擁堵、基礎(chǔ)設(shè)施不足等諸多問題并節(jié)約建設(shè)總投資，將地下道路、綜合管廊、軌道交通等多種隧道類型進(jìn)行協(xié)同建設(shè)已成為各大城市開發(fā)利用其地下空間的新趨勢[1?2]。但當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱Y(jié)構(gòu)造成較大損傷[3]，同時各隧道結(jié)構(gòu)作為一個整體，其之間必然會由于受火結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力而相互作用，進(jìn)而對整體結(jié)構(gòu)安全性造成不利影響。因此，有必要對城市隧道合建結(jié)構(gòu)的整體抗火安全性進(jìn)行深入研究?，F(xiàn)階段，相關(guān)學(xué)者多針對單一形式的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)行為及其結(jié)構(gòu)安全性研究，閆治國[4]通過火災(zāi)模型試驗及數(shù)值模擬對盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系在火災(zāi)高溫時的力學(xué)行為和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究；強(qiáng)健[5]從高溫?fù)p傷的角度研究了地鐵盾構(gòu)隧道襯砌火災(zāi)高溫后的力學(xué)性能劣化規(guī)律，并建立了隧道災(zāi)后評估程序；邱月等[6]通過數(shù)值模擬方法在火災(zāi)作用下對鐵路盾構(gòu)隧道雙層襯砌的應(yīng)力及變形規(guī)律進(jìn)行了分析，給出了二襯最小厚度建議值；霍建勛[7]通過現(xiàn)場火災(zāi)試驗對高速公路隧道結(jié)構(gòu)的火災(zāi)局部損傷進(jìn)行了分析，并研究了不同火災(zāi)模式下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全性；孟玉[8]采用有限元軟件ABAQUS建立地下混凝土框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)模型，研究了火災(zāi)下結(jié)構(gòu)溫度、位移以及薄膜力等力學(xué)性質(zhì)隨時間的變化情況；王明年等[9]通過火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS建立綜合管廊電纜艙室火災(zāi)模型，對其火災(zāi)溫度場分布及結(jié)構(gòu)損傷特征進(jìn)行了分析。綜上所述，目前針對隧道火災(zāi)的相關(guān)研究主要集中于單一隧道結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下的溫度、位移、應(yīng)力等隨時間變化規(guī)律分析以及隧道耐火方法研究等內(nèi)容，尚未針對日益增多的城市隧道合建結(jié)構(gòu)的整體抗火安全性能進(jìn)行深入分析。基于此，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建立隧道合建結(jié)構(gòu)熱?力耦合分析模型，考慮火災(zāi)高溫對材料熱工性能及力學(xué)性能的非線性影響，通過確定隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而對不同火災(zāi)模式下的合建結(jié)構(gòu)整體抗火安全性能進(jìn)行分析，并給出可滿足抗火標(biāo)準(zhǔn)的防火涂料厚度建議值，以期為城市隧道合建結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計提供一定參考依據(jù)。

1 工程概況

義烏市商城大道隧道工程全長約6 km，隧道主體結(jié)構(gòu)均為矩形閉合框架結(jié)構(gòu)，采用C35鋼筋混凝土，主筋采用HRB400，其中國貿(mào)大道至浙醫(yī)四院段的交通隧道、綜合管廊、軌道交通三者采用合建結(jié)構(gòu)，進(jìn)行同步設(shè)計及施工，全長約3.3 km。同時，合建結(jié)構(gòu)場地地質(zhì)條件較好，覆蓋層較淺，其厚度為4.1 m，以下為中、微風(fēng)化巖層，隧道地層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，地下水位為2.4 m。如圖1所示，該合建結(jié)構(gòu)以豎向合建為主，水平合建為輔，交通隧道為雙向6車道規(guī)模，僅限通行非危險化學(xué)品等機(jī)動車，布置在地下1層，綜合管廊采用兩艙矩形形式，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2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齊布置。

表1 隧道地層主要物理力學(xué)指標(biāo)

單位：mm

2 合建結(jié)構(gòu)熱?力耦合模型的建立

2.1 耦合模型建立及火災(zāi)場景設(shè)計

本文采用有限元軟件ANSYS建立“荷載?結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行火災(zāi)高溫作用下的熱?力耦合瞬態(tài)分析，隧道合建結(jié)構(gòu)采用2維8節(jié)點平面應(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彈簧單元Combin14進(jìn)行模擬，其彈簧剛度可按地基基床系數(shù)換算得到，且在計算過程中逐漸刪除受拉彈簧單元，由此建立的數(shù)值計算模型如圖2所示。在該熱?力耦合數(shù)值模型中，假設(shè)模型初始溫度為均勻分布，為20 ℃，且結(jié)構(gòu)受火面邊界條件取為第3類熱邊界條件，即與其受火面接觸的高溫?zé)煔鉁囟纫约熬C合換熱系數(shù)已知，可由式(1)表征。在隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)，由于混凝土材料的熱惰性，熱量一般不會傳遞到周圍地層，可忽略該區(qū)域的熱量交換過程，采用絕熱邊界條件。同時依據(jù)工程地質(zhì)參數(shù)施加相應(yīng)的外部地層荷載，荷載計算采用永久荷載和可變荷載組合進(jìn)行分析，其中各荷載分項系數(shù)取為1[11]。

1) 隧道混凝土可按各向同性的均質(zhì)材料考慮；

2) 忽略火災(zāi)下隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分蒸發(fā)等因素對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場造成的影響；

3) 由于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋體積占比較小，且鋼筋導(dǎo)熱系數(shù)較大，故不考慮鋼筋對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的影響。

圖2 合建結(jié)構(gòu)熱?力耦合分析模型

此外，確定合適的火災(zāi)場景是隧道結(jié)構(gòu)抗火性能研究的基礎(chǔ)依據(jù)，目前常用于定量描述火災(zāi)場景的方法有熱釋放速率法和溫升曲線法。考慮依托隧道工程交通隧道內(nèi)僅限客車通行，禁止通行?；奋嚭痛筘涇?，本文采用熱釋放速率法并根據(jù)PIARC研究報告及相關(guān)規(guī)范確定所依托隧道工程火災(zāi)場景的最大熱釋放速率為30 MW，火災(zāi)持續(xù)時間為120 min，則其相應(yīng)火災(zāi)煙氣最高溫度為800 ℃，參照RABT火災(zāi)溫升曲線設(shè)定升溫速率為240 ℃/min[13?14]。同時，對于汽車火災(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)律過渡，可由式(2)進(jìn)行表征[4]：

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

2.2 材料參數(shù)選取

混凝土材料的熱工性能是進(jìn)行火災(zāi)下隧道結(jié)構(gòu)溫度場模擬的重要前提，同時其高溫力學(xué)性能又是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火安全性研究的必要條件。在進(jìn)行隧道合建結(jié)構(gòu)熱?力耦合分析時，材料的熱工性能和力學(xué)性能均隨溫度的升高而發(fā)生非線性變化，本文選取混凝土及鋼筋材料參數(shù)計算公式如下所示[15?18]：

混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化關(guān)系式為：

混凝土比熱容隨溫度變化關(guān)系式為：

混凝土熱膨脹變形隨溫度變化關(guān)系式為：

“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”在助學(xué)以及導(dǎo)學(xué)方面有著極為明顯的積極作用。采用“學(xué)案導(dǎo)學(xué)”后，大多數(shù)學(xué)生能很快將課堂上學(xué)習(xí)到的知識理解消化，而且課堂上有更多的時間進(jìn)行相關(guān)的思維練習(xí)，明顯減輕了課外學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，課外的時間便可以看自己喜歡的書籍，做自己喜歡的事情，個性得到展露，這又進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升。

混凝土彈性模量隨溫度變化關(guān)系式為：

鋼筋彈性模量隨溫度變化關(guān)系式為：

式中：為火災(zāi)煙氣溫度，℃。

2.3 耦合模型的驗證

采用上述熱?力耦合模型選取的單元類型、邊界條件以及材料屬性，對Ngo等[19]在ISO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線作用下針對鋼筋混凝土墻體開展的火災(zāi)試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，通過比較試件在120 min內(nèi)的溫度及其平面外撓度變化以驗證耦合模型的可靠性。墻體試件采用C35混凝土，尺寸為2 400× 1 000×150 mm，同時承受偏心距為10 mm的軸向荷載485 kN。圖3和圖4給出了混凝土墻體在火災(zāi)作用下溫度及其撓度隨時間的變化規(guī)律，可以看出數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，說明所采用的數(shù)值模擬方法能夠較好地研究火災(zāi)高溫作用下隧道結(jié)構(gòu)的變形及溫度分布。

圖3 距受火面25 mm處溫度?時間曲線對比

2.4 隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性標(biāo)準(zhǔn)確定

隧道結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下應(yīng)滿足的抗火性能主要包括結(jié)構(gòu)的承載能力、完整性以及隔熱性。由于混凝土材料的熱惰性，且隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，背火面溫度一般不會受到火災(zāi)高溫作用的影響。參照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定可知[20]，按照破損階段檢算隧道結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度時，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)行計算與分析，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)可依據(jù)表2來進(jìn)行取值。本文隧道合建結(jié)構(gòu)熱?力耦合計算過程中所施加荷載主要包括隧道結(jié)構(gòu)自身承受的地層壓力以及由于火災(zāi)高溫引起的附加荷載(屬于其他可變荷載范疇)，故在后續(xù)隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性分析中確定其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在混凝土受壓時不應(yīng)小于1.7，而在混凝土受拉時不應(yīng)小于2.0。

圖4 墻體構(gòu)件中心位置處撓度?時間曲線對比

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

同時，依據(jù)我國《建筑設(shè)計防火規(guī)范》確定城市交通隧道抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)為火災(zāi)下距離混凝土受火表面25 mm處的鋼筋溫度不超過300 ℃或者混凝土結(jié)構(gòu)受火表面溫度在受火120 min內(nèi)不大于380 ℃[21]。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 火災(zāi)下合建結(jié)構(gòu)整體安全性分析

本文重點研究火災(zāi)持續(xù)120 min時城市隧道合建結(jié)構(gòu)是否達(dá)到結(jié)構(gòu)抗火安全性標(biāo)準(zhǔn)，由于隧道火源位置處溫度最高，對結(jié)構(gòu)損傷也為最大，故著重考慮此位置處結(jié)構(gòu)橫斷面的抗火安全性能，并將火災(zāi)發(fā)生前結(jié)構(gòu)只承受地層荷載作用的計算結(jié)果作為火災(zāi)前初始計算結(jié)果，對應(yīng)地將結(jié)構(gòu)受火120 min后的計算結(jié)果作為火災(zāi)后計算結(jié)果進(jìn)行分析。在隧道合建結(jié)構(gòu)的共板及共墻等重要位置處共選取10個特征截面進(jìn)行分析，如圖5所示，按破損階段法檢算火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全系數(shù)是否滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，即通過ANSYS提取上述隧道結(jié)構(gòu)火災(zāi)后相應(yīng)截面的節(jié)點應(yīng)力并轉(zhuǎn)化為彎矩軸力進(jìn)而計算得出其安全系數(shù)，根據(jù)2.4節(jié)所得抗火安全性強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)判斷火災(zāi)下合建結(jié)構(gòu)的整體安全性。

圖5 隧道合建結(jié)構(gòu)所選截面示意

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在交通隧道左孔時，通過所建立的熱?力耦合瞬態(tài)分析模型進(jìn)行模擬可知合建結(jié)構(gòu)受火120 min后其最大水平位移可達(dá)3.51 mm，出現(xiàn)在交通隧道中隔墻位置處，在交通隧道左孔結(jié)構(gòu)頂板處豎向位移達(dá)到最大，為?8.71 mm，合建結(jié)構(gòu)火災(zāi)后變形如圖6所示。圖7給出了隧道合建結(jié)構(gòu)在受火120 min后的溫度云圖，可見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，但與其合建的相鄰結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均未到火災(zāi)高溫的影響。同時，在受火結(jié)構(gòu)頂部混凝土表面溫度高達(dá)673.5 ℃，且距離混凝土表面25 mm處的溫度為483.3 ℃，均遠(yuǎn)大于規(guī)范中所規(guī)定的溫度限值，故不滿足結(jié)構(gòu)抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采取相應(yīng)的防火措施，如在結(jié)構(gòu)表面施作一定厚度的防火涂料等。

同時，提取上述隧道合建結(jié)構(gòu)火災(zāi)后相應(yīng)截面的節(jié)點應(yīng)力通過計算可得結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)，如表3所示，可見結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)均大于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)限值，故結(jié)構(gòu)受火120 min后可滿足承載能力要求。在火災(zāi)高溫作用下，由于受火結(jié)構(gòu)的不均勻熱膨脹變形以及混凝土力學(xué)性能的持續(xù)劣化，合建結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會產(chǎn)生顯著的應(yīng)力重分布。圖8~9分別給出了交通隧道左孔發(fā)生火災(zāi)時合建結(jié)構(gòu)部分截面在火災(zāi)過程中的應(yīng)力變化情況，可見與交通隧道左孔水平合建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50%，而與其豎向合建的軌道交通結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力變化較小。因此，可認(rèn)為隧道火災(zāi)規(guī)模為30 MW且持續(xù)120 min時，受火結(jié)構(gòu)對其相鄰水平合建結(jié)構(gòu)影響較大，而對其他合建結(jié)構(gòu)基本無影響，但可保證整體結(jié)構(gòu)體系的承載能力。

圖6 交通隧道左孔受火120 min時結(jié)構(gòu)變形圖

圖7 交通隧道左孔受火120 min時合建結(jié)構(gòu)溫度分布

表3 火災(zāi)下合建結(jié)構(gòu)各截面安全性分析

圖8 隧道合建結(jié)構(gòu)部分截面水平應(yīng)力變化

圖9 隧道合建結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

同理，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在交通隧道右孔時，合建結(jié)構(gòu)受火120 min后交通隧道中隔墻位置水平位移為最大，為?4.22 mm，且最大豎向位移可達(dá)?9.19 mm，出現(xiàn)在交通隧道右孔結(jié)構(gòu)頂板處，火災(zāi)后結(jié)構(gòu)變形如圖10所示。此外，受火結(jié)構(gòu)頂部混凝土表面溫度同樣達(dá)到673.5 ℃，且距離混凝土表面25 mm處的溫度為483.3 ℃，亦不滿足隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)。提取上述隧道合建結(jié)構(gòu)相應(yīng)截面的節(jié)點應(yīng)力并計算得出各截面安全系數(shù)，如表4所示，可知在火災(zāi)高溫下，非受火部位除承受周圍地層荷載作用外還將會額外承受受火結(jié)構(gòu)所傳遞的溫度作用，使得合建結(jié)構(gòu)不同部位的安全性發(fā)生變化，但各特征截面安全系數(shù)均大于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)限值，故結(jié)構(gòu)受火120 min下可滿足整體結(jié)構(gòu)體系的承載能力要求。

圖10 交通隧道右孔受火120 min時結(jié)構(gòu)變形圖

表4 火災(zāi)下合建結(jié)構(gòu)各截面安全性分析

圖11~12分別給出了交通隧道右孔發(fā)生火災(zāi)時合建結(jié)構(gòu)部分截面在火災(zāi)過程中的應(yīng)力變化情況，可見與交通隧道右孔水平合建的交通隧道左孔及綜合管廊在火災(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50%，而與其豎向合建的軌道交通結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力變化較小。因此，可認(rèn)為隧道火災(zāi)規(guī)模為30 MW且持續(xù)120 min時，受火結(jié)構(gòu)對其相鄰水平合建結(jié)構(gòu)影響較大，而對其他合建結(jié)構(gòu)基本無影響，但均能保證整體結(jié)構(gòu)體系的承載能力。

3.2 防火涂料施作厚度確定

從上述分析可知，若隧道合建結(jié)構(gòu)未采取有效防火措施，則結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫作用下將不滿足其抗火安全性溫度標(biāo)準(zhǔn)。一般可通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)表面設(shè)置混凝土犧牲層、設(shè)置防火板以及施作防火涂料等措施進(jìn)行隧道防火設(shè)計，綜合考慮上述三者耐久性、安全性及成本等因素，目前多采用在隧道結(jié)構(gòu)表面施作防火涂料的措施[22]。因此，假設(shè)火災(zāi)發(fā)生于交通隧道左孔，建立不同防火涂料厚度的隧道合建結(jié)構(gòu)熱?力耦合模型進(jìn)行分析，以期得到滿足隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性溫度標(biāo)準(zhǔn)的防火涂料厚度建議值，所選防火涂料的相關(guān)參數(shù)如表5所示[23]。

圖11 隧道合建結(jié)構(gòu)部分截面水平應(yīng)力變化

圖12 隧道合建結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

表5 防火涂料材料參數(shù)

當(dāng)防火涂料厚度為4 mm時，通過數(shù)值模擬可知結(jié)構(gòu)受火120 min后其受火面頂部最高溫度為476.4 ℃，亦不滿足隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)防火涂料厚度為7 mm時，結(jié)構(gòu)受火面頂部最高溫度為382.1 ℃，仍不滿足隧道結(jié)構(gòu)抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)防火涂料厚度為8 mm時，結(jié)構(gòu)受火面頂部最高溫度降低至358.1 ℃，已滿足所確定的溫度標(biāo)準(zhǔn)。但考慮到隧道火災(zāi)規(guī)模及其持續(xù)時間的不確定性，防火涂料施作厚度應(yīng)具有一定的安全儲備。因此，防火涂料厚度設(shè)置為12 mm時，結(jié)構(gòu)受火120 min后其受火面頂部最高溫度為285.8 ℃，且距離混凝土表面25 mm處的溫度為217.5 ℃，遠(yuǎn)小于規(guī)范中所規(guī)定的結(jié)構(gòu)溫度限值，且合建結(jié)構(gòu)最大水平位移減小至2.05 mm，最大豎向位移減小至?4.92 mm。同時，提取上述隧道合建結(jié)構(gòu)相應(yīng)截面的節(jié)點應(yīng)力并計算得到其安全系數(shù)，如表6所示，可見結(jié)構(gòu)各截面抗火安全性有了較大的提升。此外，圖13~14給出了防火涂料厚度為12 mm時的合建結(jié)構(gòu)部分截面應(yīng)力變化情況，可知由于防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)較小，降低了火災(zāi)高溫傳遞到結(jié)構(gòu)表面的溫度，從而極大地減小了火災(zāi)所引起的結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)力，相鄰合建結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力基本保持不變。因此，施作一定厚度的防火涂料對城市隧道合建結(jié)構(gòu)整體抗火性能的提高具有良好的效果，其滿足抗火安全性能要求的最小涂料厚度為8 mm，但建議施作導(dǎo)熱系數(shù)小于0.15 W/(m·℃)，厚度大于12 mm的防火涂料以更好地滿足抗火安全性能要求。

圖13 隧道合建結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

表6 火災(zāi)下合建結(jié)構(gòu)各截面安全性分析

圖14 隧道合建結(jié)構(gòu)部分截面豎向應(yīng)力變化

4 結(jié)論

1) 火災(zāi)高溫作用會使得城市隧道合建結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的應(yīng)力重分布，同時由于混凝土材料的熱惰性，受火結(jié)構(gòu)內(nèi)部將形成較大的溫度梯度。當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為30 MW且持續(xù)時間為120 min時，隧道結(jié)構(gòu)受火面最高溫度可達(dá)673.5 ℃，且距離受火面25 mm處的溫度為483.3 ℃，均不滿足結(jié)構(gòu)抗火安全性的溫度標(biāo)準(zhǔn)，需采取一定的防火措施，但未對其相鄰合建結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場造成影響。

2) 當(dāng)隧道火災(zāi)規(guī)模為30 MW且持續(xù)時間為120 min時，城市隧道受火結(jié)構(gòu)將會對與其水平合建的相鄰結(jié)構(gòu)應(yīng)力及安全性產(chǎn)生較大影響，其應(yīng)力變化幅度最大超過50%，而對豎向合建結(jié)構(gòu)影響較小，但均可滿足整體結(jié)構(gòu)體系的承載能力要求。

3) 當(dāng)隧道火災(zāi)規(guī)模為30 MW時，建議在城市隧道合建結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施作導(dǎo)熱系數(shù)小于0.15 W/(m·℃)，厚度大于12 mm的防火涂料，以降低火災(zāi)所引起的結(jié)構(gòu)高溫應(yīng)力及損傷，進(jìn)而可滿足隧道結(jié)構(gòu)受火120 min下的抗火安全性標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步提高合建結(jié)構(gòu)整體抗火安全性能。

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Study on holistic fire resistance of urban tunnel integrated structure

TIAN Yuan1, 2, WANG Mingnian1, 2, GUO Xiaohan1, 2, HU Xiaoyue1, 2, YAN Zihai3

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. POWERCHINA Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, China)

When a fire occurs in an urban tunnel integrated structure, it will affect the deformation and stress distribution of adjacent structures, and then threaten the fire resistance performance of the integrated structure. Taking the tunnel project of Shangcheng Avenue in Yiwu as the background, the transient thermal-mechanical coupled finite analysis model of the integrated structure was established by using finite element software ANSYS. Considering the non-linear effect of high temperature on material properties, the holistic fire resistance performance of the integrated structure under different fire scenarios was studied based on the fire safety standards of tunnel structures. The results show that the stress redistribution occurs in the underground integrated structure under fire, and due to the thermal inertia of concrete, it does not affect the internal temperature field of the adjacent structures. When the tunnel fire with a scale of 30 MW lasts 120 minutes, the maximum temperature on the surface of the structure can reach 673.5 ℃, and the temperature at 25 mm away from the heated surface is 483.3 ℃, which does not meet the temperature standard of structural fire safety, then some fire prevention measures are required. The fire-affected structure has a great influence on the stress and safety of its adjacent horizontal integrated structures, and the maximum stress variation range is more than 50%, while has little influence on other integrated structures, but it can ensure the bearing capacity of the holistic structure system. And it is suggested that the fire-retardant coating with thermal conductivity less than 0.15 W/(m·K) and thickness greater than 12 mm should be applied to reduce the high temperature stress and fire-induced damage, which can further improve the holistic fire resistance performance of the integrated structure.

urban tunnel; integrated structure; fire resistance; safety factor; fire-retardant coating

TU93+2；X951

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 2065 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190923

2019?10?21

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(K2018G012)；四川省科技計劃項目(2018JY0566)

王明年(1965?)，男，安徽舒城人，教授，博士，從事隧道與地下工程設(shè)計理論及通風(fēng)防災(zāi)研究；E?mail：wangmingnian@swjtu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)