火災條件下隧道混凝土路面溫度與力學響應研究

馬立軍,徐 璐,王 靜,張云龍,錢雪松

吉林建筑大學 交通科學與工程學院,長春 130118

0 引言

隧道屬于半封閉建筑,空間狹小,發(fā)生火災時溫度急劇上升,煙霧無法擴散,這不但會造成人員傷亡,還會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可估量的危害[1],因此需要對隧道路面火災進行研究.由于隧道火災試驗所需的空間較大,試驗難以控制且存在一定風險,常采用有限元模型模擬火災的發(fā)生[2].

近年來,相關(guān)學者對隧道火災響應進行了一系列研究.對于數(shù)值模擬,學者們主要分析了隧道溫度分布及隧道內(nèi)部溫度變化.朱合華等[3]人根據(jù)有限單元法對比分析不同標準火災曲線下的溫度分布,表明襯砌的內(nèi)部溫度分布受火災曲線的影響較大,不同火災曲線下的溫度分布具有較大差異.劉曉勇[4]同樣采用有限元法分析了偏壓條件下的襯砌內(nèi)部溫度分布,結(jié)果表明襯砌的內(nèi)部溫度變化是由曲線變化轉(zhuǎn)為直線變化,同時當偏壓角度較大時,火災將成為隧道破壞的誘導因素而非直接因素.Liu B等[5]人對海拔高度對隧道火災縱向溫度分布的影響進行研究.結(jié)果表明當海拔溫度升高時,煙與隧道壁之間的熱對流增強,從而增加了煙的熱損失,故高度較高時,縱向溫度衰減更快.隧道發(fā)生火災除了對建筑結(jié)構(gòu)的威脅,還會產(chǎn)生大量濃煙,對人們的生命安全產(chǎn)生威脅.Król A等[6]人在長度為678 m、傾斜4 %的實際公路隧道中進行了熱煙試驗.結(jié)果表明,隧道的整個背風面都充滿了熱氣,這對困在該區(qū)域的人來說是致命的威脅.與此同時,在縱向通風隧道中,氣流結(jié)構(gòu)及其大小對煙氣管理非常重要.Se C M K等[7]人采用計算流體力學技術(shù),研究了不同尺寸、方向和性質(zhì)下的火源對氣流速度和溫度分布的影響.結(jié)果表明,火源性質(zhì)對整個隧道的上游風速和氣流模式產(chǎn)生不利影響.隧道內(nèi)屬于封閉空間,一旦發(fā)生火災,可能會引起周圍車輛及建筑物起火,形成多處火源,因此崔心源等[8]人對雙火源隧道火災進行模擬,結(jié)果表明與單火源相比,雙火源之間的相互影響更易造成濃煙的積聚,增大了危險性.此外,雙火源之間的距離對溫度也有一定影響,當火源間距增大時,輻射強度在降低,但仍會對人員及建筑物造成危害.

結(jié)合上述文獻可知,目前隧道火災的研究主要集中在火災對襯砌的影響以及隧道內(nèi)煙氣排放[9-10],關(guān)于火災對隧道混凝土路面的影響研究較少,本文以有限元軟件建模,研究了隧道路面在火災下的響應變化,為以后隧道路面火災的研究提供參考.

1 路面模型建立

1.1 模型尺寸

為了更好地模擬隧道路面實際情況,使模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果更加真實有效,按照1∶1的比例采用Ansys軟件建立三維有限元模型如圖1所示.隧道縱向長度取20 m,隧道半徑4.5 m,隧道高為7.55 m,路面層厚度為30 cm,斷面如圖2所示.建立模型時以隧道入口平面為xoy平面,豎向為y方向,向上為正,橫向為x方向,向右為正,沿隧道縱向為z方向.火災發(fā)生在路面10 m～12 m處,火災持續(xù)時間為2 h.在熱分析過程中,采用可用于瞬態(tài)熱分析的3D實體熱單元Solid70,在熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時采用與之對應的Solid65單元.

圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元模型全圖

圖2 隧道路面斷面

1.2 材料參數(shù)

在隧道火災模擬計算時,導熱系數(shù)、比熱容、溫度線膨脹系數(shù)等數(shù)值會隨著溫度和時間的改變而變化,因此需要確定熱工參數(shù)來進行結(jié)構(gòu)的溫度與應力的分析.在隧道火災過程中,路面混凝土隨著溫度的升高體積膨脹.部分水分揮發(fā),導致混凝土的密度減小.模擬中所采用的比熱容和導熱系數(shù)的選取參考歐洲規(guī)范[11]計算公式如式(1)和式(2)所示.線膨脹系數(shù)采用試驗研究得到的混凝土函數(shù)公式(3).但與其他混凝土參數(shù)相比,密度變化較小,因此將混凝土的密度設為與溫度無關(guān)的常量,取值為2 400 kg/m3,泊松比取0.2[12],混凝土的熱力學參數(shù)見表1.

表1 混凝土的熱力學參數(shù)

(1)

(2)

αC=(0.008T+6)×10-620 ℃≤T≤1 200 ℃

(3)

1.3 假定條件

(1) 混凝土在進行高溫條件下的結(jié)構(gòu)設計和計算時是各向同性材料.路面為完全均勻和各向同性的連續(xù).

(2) 混凝土在經(jīng)歷高溫或火災時,自身不釋放和吸收熱量,熱量保持不變.

1.4 邊界條件

第1類邊界條件也稱為溫度邊界條件

T|Γ=T0;T|Γ=f(x,y,z,t)

(4)

式中,Γ為物體邊界;T0為已知溫度,℃.

第2類邊界條件也稱為熱流邊界條件

(5)

式中,Γ為物體邊界;q為熱流密度(常數(shù));K為材料的熱導系數(shù),W/(m·℃).

第3類邊界條件也稱為對流換熱邊界條件

(6)

式中,Tf為流體介質(zhì)溫度,℃;α為換熱系數(shù),W/(m2·℃).

本文采用第3類邊界條件,假定隧道內(nèi)為一個均勻的溫度場,內(nèi)部溫度相同,采用常溫20 ℃.隧道的圍巖常處于山體之中,外界空氣、氣流等因素對其影響甚小,據(jù)文獻[13]研究結(jié)果表明,當隧道路面發(fā)生火災時,溫度無法傳遞至圍巖附近,因此,忽略圍巖對隧道路面應力產(chǎn)生的影響.此外,隧道自重的施加采用方式為對整體結(jié)構(gòu)施加重力.

1.5 加載溫度

由于公路隧道火災通常是以碳氫為主的混合火災,加載溫度曲線采用《建筑設計防火規(guī)范》(GB50016-2014)[14]推薦的HC升溫曲線如公式(7)所示.

T=T0+1 080×(1-0.325×e-0.167×t-0.675×e-2.5×t)

(7)

式中,T為實時溫度,℃;T0為初始溫度,℃,取T0=20 ℃;t為火災持續(xù)時間,min.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度分布

2.1.1 縱向溫度分布

發(fā)生火災時,高溫會造成隧道內(nèi)車輛的引燃及周圍管道設施的破壞,甚至導致人員受傷.同時,考慮到隧道火災溫度升高極快的特點,在模型中模擬隧道火災發(fā)生,觀察隧道火災后2 h內(nèi)路面的溫度變化.

沿隧道縱向溫度隨距離分布云圖如圖3所示,中心區(qū)域為火災中心位置,溫度最高,可達1 035.86 ℃.隨著與火災中心距離的增加,區(qū)域顏色逐漸變淺,說明溫度在逐漸向外傳遞,熱量逐漸向兩側(cè)延伸.在達到一定距離后顏色變?yōu)闇\色,此時溫度已接近常溫,說明超過此范圍火災將無法對隧道路面結(jié)構(gòu)造成影響.為了更加直觀地觀察隧道路面縱向溫度,將數(shù)據(jù)進行整理,繪制縱向分布的溫度隨時間變化曲線,如圖4所示.圖4顯示,在火災中心處溫度達到最高為1 035.86 ℃,這與溫度云圖一致.隨著溫度沿路面的擴散,在火源兩側(cè)大致呈對稱分布,這是由于隨著距離的增加,高溫區(qū)域的煙霧不斷向低溫區(qū)域擴散.隨著距離遠離火災中心,升溫速率逐漸降低,溫度也隨之降低.在4 m～8 m處曲線較為平緩,溫度緩慢增加;在8 m～10 m處曲線斜率急劇增加,溫度急速上升,這是因為8 m～10 m更接近于火源中心位置,溫度擴散速率更快,溫度變化更劇烈.

圖3 沿隧道縱向溫度隨距離分布云圖

圖4 沿隧道縱向溫度隨距離分布曲線

2.1.2 深度溫度分布

當發(fā)生火災時,隧道結(jié)構(gòu)受到破壞,無法正常使用,會造成一系列問題,因此研究隧道火災對路面結(jié)構(gòu)的破壞程度,觀察其深度方向的溫度分布十分必要.

圖5為隧道路面深度方向溫度分布.由于混凝土的導熱惰性,當深度逐漸加深時,熱傳遞速率逐漸降低,溫度隨之降低.當達到路面底層,即距離路表面300 mm時,溫度已接近常溫狀態(tài)且保持穩(wěn)定,因此可以忽略隧道路面火災對路面以下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響.由圖5可知,隨著深度的逐漸增加,溫度下降由非穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定階段,具體分為急劇下降階段、平緩下降階段以及趨于穩(wěn)定階段的狀態(tài).從路表到距離路表50 mm處溫度變化明顯,為急劇下降階段,此后溫度變化速率逐漸降低,進入穩(wěn)定階段,在此階段熱量被消耗殆盡,路面底層混凝土層趨于常溫.

圖5 深度方向路面溫度隨距離變化

圖6給出了火源中心處路面厚度方向的溫度云圖.由圖6可知,最高溫度出現(xiàn)在路表面可達1 035.86 ℃,這與隧道縱向最高溫度一致,再次證明了模擬的正確性.隨著路面深度的增加,溫度云圖顏色逐漸變淺,溫度逐漸降低.

圖6 深度方向路面溫度云圖

圖5中,混凝土在距離路表100 mm處的溫度約為128 ℃,當溫度超過200 ℃時才會對混凝土的工作性能產(chǎn)生影響,故只對距離路表100 mm以內(nèi)的隧道混凝土路面進行分析.圖7中給出在遭受火災區(qū)域內(nèi)路面不同深度位置下溫度隨火災時間的變化曲線.其中H0表示路面表面,H50表示距離路面表面50 mm,H100表示距離路面表面100 mm.

從圖7中可知,隨著路面深度的增加,溫度逐漸減小,同時各深度層面表現(xiàn)出相同的趨勢,即隨時間的增加溫度不斷上升.當火災發(fā)生在路表面時,溫度增長隨時間變化較快,當深度逐漸增大,溫度隨時間的變化逐漸減小.在火災發(fā)生的路表面上,溫度增長較快,隨時間的增加溫度可超過1 000 ℃.與表面相比,當距離火災深度達到50 mm時,溫度隨時間的增加大幅度減小,當深度達到100 mm時會發(fā)現(xiàn)溫度沒有明顯上升,基本保持在常溫.

2.2 溫度應力分析

熱應力,是發(fā)生溫度變化的物體與不能自由伸縮的其他物體之間產(chǎn)生的約束力,或是發(fā)生溫度變化的物體內(nèi)部之間相互約束所產(chǎn)生的應力[9].當隧道發(fā)生火災時,由于隧道內(nèi)部溫度急劇上升,導致熱應力迅速增加,容易降低結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性.

2.2.1 縱向應力分布

為了評價隧道路面在火災作用下的應力分布情況,本文綜合考慮了第一主應力、第二主應力、第三主應力.基于第四強度理論,對火災下混凝隧道路面的Mises應力進行分析.圖8為隧道混凝土路面在縱向方向和沿路面深度方向的Mises分布曲線.

圖8 沿隧道方向等效應力分布

由圖8可知,在火源中心處,Mises應力最大為109.22 MPa,這是由于此處溫度最高,導致此處的溫度應力最高.隨著距離火源中心位置距離的增加,Mises應力逐漸降低,溫度也隨之降低,由此產(chǎn)生的溫度應力逐漸降低.此外,Mises在火源中心位置兩側(cè)大致呈對稱分布,這與前面的溫度分析結(jié)果一致,從而再次證明了模擬的正確性.圖9給出了隧道縱向的Mises應力云圖,由圖9可知,在隧道縱向云圖顏色逐漸變淺,對應的最大Mises應力逐漸降低,其中最大應力出現(xiàn)在火源中心位置.

圖9 沿隧道方向等效應力云圖

2.2.2 深度方向應力分布

圖10給出了火源中心位置隧道深度方向的Mises分布曲線.由圖10可知,最大Mises應力出現(xiàn)在隧道路面表面,這是由于此處直接與火源接觸,使得該位置的溫度最高,溫度應力最大.由于Mises綜合考慮了第一主應力、第二主應力及第三主應力,因此在圖10中最小Mises應力并非出現(xiàn)在隧道路面底層,而是在路基路面表面87.5 mm處,此后Mises應力逐漸趨于穩(wěn)定.由此可見,在此范圍內(nèi)火災對隧道路面產(chǎn)生了巨大影響,而超過此范圍,溫度對路面的影響逐漸降低,這與前面溫度分析結(jié)果85 mm基本一致.但由于隧道路面受自身自重、環(huán)境外力等的綜合影響,故Mises最小值與對混凝土物理力學性能影響可忽略的深度不完全相同,而是具有相同趨勢.

圖10 深度方向等效應力分布

圖11給出了隧道路面深度方向的Mises應力云圖.由圖11可知,最大應力出現(xiàn)在路面表面,這與前面分析一致.此外,由于路面與隧道接觸點出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,導致Mises應力高于其他地方.

圖11 深度方向等效應力云圖

3 結(jié)論

(1) 發(fā)生火災時,火源中心處的溫度最高且可達1 035.86 ℃.隨著距離火源中心位置距離的增加,溫度大致在火源中心兩側(cè)呈對稱分布.在4 m～8 m處溫度升高較為平緩,在8 m～10 m處溫度急劇上升,距離火源中心處熱量的劇烈波動在短時間內(nèi)溫度達到峰值,

(2) 在隧道路面深度方向,由于混凝土的導熱惰性,隨著深度的增加,溫度逐漸降低,路面表面溫度在50 min內(nèi)達到最高溫度且保持穩(wěn)定;在H50范圍內(nèi)溫度近似于線性增加,升溫較慢且最大溫度遠低于路面表面,在路面底層已接近常溫且保持不變.

(3) 發(fā)生火災時,隧道路面Mises應力最高出現(xiàn)在火源中心處,可達109.22 MPa,與溫度分布趨勢相同.在路面深度方向,Mises應力在0 mm～87.5 mm范圍內(nèi)保持下降趨勢,但在87.5 mm處應力出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,Mises應力在此之后增加并保持穩(wěn)定.