浅谈隧道衬砌结构火灾高温力学行为及耐火方法研究

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1、1031936⑧申请同济大学工学博士学位论文隧道衬砌结构火灾高温力学行为及耐火方法研究(上海市重大科技攻关计划资助04DZl2010)培养单位：一级学科：二级学科：研究生：指导教师：土木工程学院土木工程结构工程闫治国朱合华教授二oO七年二月摘要衬砌结构防火是隧道防火的一个重要组成部分。国内外发生的大量隧道火灾案例都显示了火灾对衬砌结构的严重损害以及衬砌结构防火的重要性。随着越来越多隧道的修建，对衬砌结构火灾安全的评价以及如何提高衬砌结构的火灾安全性成为了一个重要的问题。本文从材料、构件、结构体系三个

2、层次对衬砌结构在火灾高温时(高温后)的力学特性、耐火能力及薄弱环节进行了研究。具体研究内容包括：1)用于隧道衬砌结构防火设计的火灾场累及设计方法；2)钢筋混凝上、钢纤维混凝上衬砌管片火灾高温时(高温后)的力学行为；3)钢筋混凝上、钢纤维混凝土衬砌接头火灾高温时(高温后)的力学行为；4)隧道衬砌结构体系(包括钢筋混凝土管片环及钢纤维混凝土管片环)火灾高温时(高温后)的力学行为：5)隧道衬砌结构的耐火方法。通过火灾试验、理论分析和数值模拟等方法，本文取得了较为丰富的研究成果：1)建立了较全面反映隧道火灾

3、特点和影响因素的完整火灾场景(包括温度一时fu川j线、温度横向分和及温度纵向分粕)及其设计方法；2)给出了隧道衬砌结构温度场的理论计算方法，并存考虑隧道火，火特点、衬砌结构热边界、混凝土高温爆裂的条件下，研究了衬砌结构温度场的传播分白规律；3)给出了钢筋混凝七、钢}r维混凝土管片在不同温度一荷载工况下的火灾损伤、变形性能及承载力。研究表明，火灾高温时，由于截面上的不均匀温度分布以及材料性能的不均匀劣化，管片承载力降低，管片变形、内力状态均发生明显变化；4)给出了钢筋混凝土、钢纤维混凝土接头火灾高温时

4、(高温后)的破坏模式、变形性能(张角、张丌量的变化)及接头刚度的变化。研究表明，火灾高温下，衬砌接头根掘接头类型、受载状况的不同，表现出不同的破坏模式。同时，由于火灾高温的作用，接头张角、张丌量明显增加，接头刚度显著降低；5)给出了接头临界偏心距的概念、计算方法及变化规律；6)研究了隧道衬砌结构体系火灾高温时(高温后)的破坏模式、变形性能、承载力及火灾过程中的内力重分布。研究表明，根据衬砌环构成方式、荷载模式、约束条件及受火环境等的不同，衬砌环表现出不同的破坏模式。同时，由于火灾高温的作用，衬砌环承

5、载摘要力明显降低，并产生了较大的残余变形。此外，由于衬砌环的不均匀热变形和材料性能劣化，衬砌环各部分I’日J产生了激烈的荷载转移和内力重分布，并使得常温区未受火衬砌截面承受的荷载增加，安全系数降低；7)研究了隧道衬砌结构的火灾损伤形式及机理，并对表面隔热防护、水喷淋(雾)降温、混凝土抗爆裂等衬砌结构的耐火方法进行了分析评价和试验验证。基于试验成果，提出了～种抗爆裂复合耐火管片；8)基于性能化防火的思想，初步建立了隧道衬砌结构的耐火试验标准及方法：9)建立了能够方便模拟隧道火灾特点及不同热一荷载一位移

6、边界的隧道衬砌构件(管片、接头、板)，结构体系火灾试验系统，并申报了四项专利。最后，本文就进一步需要丌展的研究进行了讨论。关键词：火灾，隧道，衬砌结构，力学性能，耐火方法AbstractABSTRACTItisallimportantconcerntoprotecttunnelliningstructurefromfireintunnelfirepreventionengineering．Numerouscasesontunnelfiresemphasizedtheimportanceoffirep

7、rotectionoftunnelliningandindicatedthatfiremaycauseseveredamagestotunnelliningintermofconcretespalling，reductionofphysical—mechanicalcharacteristicsandloadbeatingcapacity．Asthenumberoftraffictunnelsunderconstructionincreases，howtoimprovefiresafetyoftun

8、nelliningstructurebecomesakeyissueinthewholeprocessoftunneldesign，constructionandoperation．Mechanicalbehaviors，fireproofcapacityandvulnerablespotoftunnelliningstructurearestudiedinthispaperatthreelevelsi．e．material，structuralelementands