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火灾高温下盾构隧道管片接头损伤研究

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摘要

1 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 隧道火灾研究

1.2.2 火灾高温下钢筋混凝土材料研究

1.2.3 火灾高温下隧道衬砌研究

1.3 研究目的、内容和技术路线

1.4 本文创新点

2 隧道火灾场景设计

2.1 火灾场景特点

2.1.1 典型火灾升温曲线

2.1.2 各种典型火灾升温曲线特点

2.2 试验火灾场景确定

2.3 试验火灾升温曲线

3 火灾高温下管片接头试验方案

3.1 试验管片概况

3.2 试验系统

3.3 测点布置和测量方法

3.4 试验工况

3.5 本章小结

4 火灾高温下管片接头损伤试验研究

4.1 火灾高温下表观现象

4.1.1 管片混凝土爆裂、崩落

4.1.2 管片混凝土开裂裂缝

4.1.3 管片表面渗水

4.2 火灾高温下温度分布规律

4.2.1 管片温度分布规律研究与分析

4.2.2 接头螺栓温度变化研究

4.2.3 接头橡胶条温度变化研究

4.3 火灾高温下管片接头张开量和张开角变化

4.4 火灾条件下管片接头刚度变化

4.5 高温下螺栓力学性能试验研究

4.6 本章小结

5 火灾高温下管片接头数值模拟分析

5.1 ANSYS有限元热分析

5.1.1 热力耦合原理和方法

5.1.2 基本假设

5.2 高温下材料性能参数选取

5.2.1 混凝土热工和力学参数

5.2.2 螺栓热工和力学参数

5.3 管片接头热力耦合有限元模型

5.3.1 模型建立

5.3.2 添加边界条件

5.4 分析结果

5.4.1 热分析结果

5.4.2 结构分析结果

5.5 本章小结

6 火灾高温下接头防水性能研究

6.1 橡胶条防水试验概况

6.1.1 试验简介

6.1.2 接头橡胶条防水要求

6.2 试验结果与分析

6.2.1 橡胶条试验结果

6.2.2 数据分析

6.3 本章小结

7 火灾高温下接头损伤规律、评价和保护措施

7.1 火灾下管片接头损伤规律

7.2 火灾下管片接头损伤和防水评价

7.3 火灾下接头保护措施

8 结论和展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

作者简历

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摘要

随着我国大中型城市轨道交通和城市地下道路建造的兴起,盾构法隧道建造也越来越得到广泛的运用。管片接头作为盾构隧道结构体系中薄弱点,在火灾高温条件下性能劣化,导致接头过大变形,影响到隧道结构安全性,进而可能引发严重的隧道灾害。
  本文采用原型大直径盾构隧道管片,就火灾大小、持续时间等不同火灾场景,进行了火灾高温下管片接头试验研究和数值模拟。从管片及接头混凝土、接头螺栓、接头橡胶条等三个方面,研究了接头在火灾高温下的性能,取得了如下成果:
  (1)从管片混凝土颜色、爆裂、裂缝、渗水等方面,分析了火灾高温下管片损伤表观现象损伤变化特征,得到管片临界爆裂温度为520℃~540~C,集中爆裂持续约25~35min,不同工况下管片最大爆裂深度;以及管片裂缝发展、管片渗水随受火时间变化情况。
  (2)火灾高温下管片及管片接头温度场分布规律。管片混凝土升温主要集中在距离受火面20cm范围以内,提出沿管片厚度方向管片混凝土最高温分布公式;螺栓升温缓慢,最高温度在100℃左右;内侧橡胶条温度最高可达250℃以上,而外侧橡胶条温度在50℃以内。
  (3)管片接头变形(张开量、张开角)以及接头刚度随受火时间的变化特征。各工况试验可知火灾温度高、受火时间长,接头张开也就更大、相应而言接头刚度下降则会更快,在120min时认为接头刚度为0。
  (4)建立管片接头热力耦合有限元模型,对不同工况下进行通数值模拟。通过有限元数值计算与接头试验对比,得出有限元分析可靠,计算结果与试验工况基本一致。
  (5)提出火灾后接头损伤评定标准,为我国建立隧道防火相关规范提供参考。评定标准分为四个等级:Ⅱa级—轻微损伤、Ⅱb级—轻度损伤、Ⅲ级—中度损伤、Ⅳ级—破坏。
  (6)得到橡胶条耐水压与温度和张开量关系,提出火灾下接头防水评价。结合设计要求耐水压值,得到防水失效时间。当橡胶条张开量达到8mm或者橡胶条温度达到200℃,认为橡胶条耐水压值为0。
  (7)提出施加二次衬砌的盾构隧道防火保护措施。通过接头试验和高温下橡胶条防水分析,得出施加二次衬砌可有效地保证管片衬砌接头的安全性。

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