復(fù)材隧道逃生管道結(jié)構(gòu)設(shè)計與沖擊試驗(yàn)研究

張偉，辛亮，陳繼滔，周恒，張軒瑜

(1.臺州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 臺州 318000；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3.浙江一路建設(shè)有限公司，浙江 永嘉 325102；4. 浙江恒則熙交通科技有限公司，浙江，杭州 310052)

0 引言

中國土木工程學(xué)會隧道及地下工程分會公布的統(tǒng)計表明，中國已成為世界隧道及地下工程建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度第一大國.據(jù)截至2013年底的統(tǒng)計，中國已有公路隧道11359座，總長9 606 km.

公路隧道年均增長率高達(dá)20%，且有逐年增速加快的趨勢[1].但由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，實(shí)際隧道施工中先后發(fā)生多起特大人員傷亡事故，其中隧道坍塌事故占有約一半的比例，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了重大的損失[2].因此，如何減少隧道塌方后的損失，特別是避免人員傷亡十分重要.為此，進(jìn)行隧道逃生管道系統(tǒng)的研究，顯得尤其必要.

目前逃生管道的管材主要采用鋼管、鋼筋混凝土管和鋼帶PE波紋管等.胡浩軍等[3]就管壁厚度、落石材料剛度等因素對隧道逃生用鋼質(zhì)圓管撞擊力大小和彈塑性變形等的影響開展參數(shù)分析，結(jié)果表明管壁越薄、落石材料剛度越大，沖擊破壞作用越明顯.楊飆等[4]分別以鋼帶PE波紋管和鋼管作為隧道逃生管道進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明，選取合理的設(shè)計參數(shù)，鋼帶PE波紋管與鋼管均能滿足抗沖擊要求；但鋼帶PE波紋管抗腐蝕性更好、連接方便、造價較低.張瑜等[5]對比了鋼筋混凝土管和鋼管作為隧道逃生管道的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇鋼管進(jìn)行橫向沖擊試驗(yàn)，研究了沖擊能量與變形模態(tài)、凹陷變形之間的關(guān)系，并采用ANSYS LS-DYNA進(jìn)行了仿真模擬，給出了凹陷變形的時程曲線，獲得了與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)較一致的結(jié)果.現(xiàn)有材料隧道逃生管道雖然可以滿足環(huán)剛度和抗沖擊性能的要求，但還存在重量大、搬運(yùn)挪移不便(按內(nèi)徑800 mm，管壁厚10 mm計算，鋼管的米重約為200 kg/m)、現(xiàn)場安裝費(fèi)力耗時、造價高等問題，提高了施工成本[3].

為此，本文設(shè)計了一種復(fù)合材料隧道逃生管道結(jié)構(gòu)(米重僅為鋼管的1/3左右)，基于環(huán)剛度準(zhǔn)則對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并進(jìn)行了逃生管道的足尺試樣沖擊試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了產(chǎn)品的安全性和實(shí)用性，為新型逃生管道的設(shè)計奠定了基礎(chǔ).

1 新型逃生管道結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

1.1 新型逃生管道結(jié)構(gòu)

新型逃生管道管壁結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，管道內(nèi)、外層為玻璃鋼，芯層為樹脂陶粒混凝土，三者組成夾芯結(jié)構(gòu).玻璃鋼是一種質(zhì)輕高強(qiáng)、韌性好的材料，具有良好的抗沖擊性能.它的相對密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，但拉伸強(qiáng)度卻接近甚至超過碳素鋼.但是玻璃鋼剛度較小，受沖擊作用下變形較大，且造價較高，單獨(dú)用于逃生管道會提高造價.為此，本文提出采用較薄的玻璃鋼層作為內(nèi)、外表皮，采用較厚的、造價低廉且密度很小(為水的0.7倍左右)的樹脂陶?；炷磷鳛閵A芯層，通過增加管壁總厚度來有效提高管壁抗彎剛度，達(dá)到在盡量降低玻璃鋼用量的條件下獲得較大管道環(huán)剛度和較小自重的目的[7-8].此外，樹脂陶粒混凝土作為輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，不僅能大大減輕結(jié)構(gòu)重量，而且有利于沖擊能量的吸收，可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力.

圖1 新型逃生管道結(jié)構(gòu)圖

1.2 環(huán)剛度設(shè)計準(zhǔn)則

管材抵抗外荷載下徑向變形的能力通常用環(huán)剛度來表示[9].文獻(xiàn)[10]規(guī)定了環(huán)剛度的測定方法：將規(guī)定的管材試樣在兩個平行板間按規(guī)定的條件垂直壓縮，使管材直徑方向變形達(dá)到3%.根據(jù)試驗(yàn)測定造成3%變形的力F(單位為kN)，取3個試樣的平均值計算環(huán)剛度，計算公式如下：

(1)

(2)

式中：S、Si為環(huán)剛度，單位為kN/m2；y為3%的變形量，單位為mm；d為管環(huán)內(nèi)徑，單位為mm；L為管環(huán)長度，單位為mm.

研究者[11]發(fā)現(xiàn)，對于新型樹脂陶粒玻璃鋼復(fù)材夾芯管道，采用文獻(xiàn)[10]規(guī)定的方法測定環(huán)剛度并不合適.依照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)取管徑發(fā)生3%變形量時，管道已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，顯然在塑性變形區(qū)段內(nèi)計算剛度是不合理的.因此對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，用彈性階段的峰值力代替管徑發(fā)生3%變形量對應(yīng)的加載力，用該峰值力對應(yīng)的彈性變形代替管徑3%的變形.

研究者[3-5]多采用300 kg落石從7 m高處自由下落對中沖擊管道來衡量管道的抗沖擊性能.文獻(xiàn)[4]指出，內(nèi)徑為800 mm鋼帶增強(qiáng)PE螺旋波紋管逃生管道，當(dāng)其環(huán)剛度等級為SN16以上時，具有良好的抗沖擊能力.但是鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行玻璃鋼夾芯管道沖擊性能的研究.考慮到玻璃鋼夾芯管與鋼帶增強(qiáng)PE螺旋波紋管具有一定的相似性，兩者均為復(fù)合材料，都采用改變截面尺寸的方法來提高結(jié)構(gòu)的剛度.為確保樹脂陶粒玻璃鋼夾芯管的抗沖擊性能，取其環(huán)剛度為鋼帶增強(qiáng)PE螺旋波紋管逃生管道的3倍，即S≥50 kN/m2作為設(shè)計目標(biāo).

1.3 逃生管道結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

初選逃生管道的內(nèi)徑800 mm，內(nèi)蒙皮厚4mm，外蒙皮厚5 mm，芯層厚20 mm，記為4-20-5.先校核計算方法的可靠性.

1.3.1 管道環(huán)剛度試驗(yàn)

首先從試制管道節(jié)段上切割下來3段長度為0.3 m的環(huán)形試件.如圖2所示，在試驗(yàn)機(jī)上固定木板，將試件固定在木板之間，采用10 mm/min的加載速度緩慢加載，進(jìn)行環(huán)剛度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)束后的變形圖如圖3所示，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表1.

圖2 環(huán)剛度試驗(yàn)布置圖 圖3 環(huán)剛度試驗(yàn)變形圖

表1 環(huán)剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3.2 管道環(huán)剛度模擬

采用ABAQUS進(jìn)行環(huán)剛度數(shù)值試驗(yàn)，等效線荷載取變形量為3%時的反作用力，利用式(1)計算管道的環(huán)剛度.僅考慮管道的環(huán)向性能，故可忽略玻璃鋼的各向異性，其彈性模量取為24GPa，泊松比為0.25；夾芯層彈性模量為1.35 GPa，泊松比為0.24.計算模型和網(wǎng)格如圖4所示.計算并讀取管頂節(jié)點(diǎn)反力為24.5 kN，計算所得環(huán)剛度為65.84 kN /m2.

圖4 計算模型和網(wǎng)格劃分圖

通過比較可以看出，用有限元軟件ABAQUS模擬的環(huán)剛度結(jié)果與實(shí)測結(jié)果十分接近，計算與試驗(yàn)的誤差僅為-0.6%.因此，采用ABAQUS模擬環(huán)剛度是準(zhǔn)確可靠的.

1.4 逃生管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

通過分析可知，初選逃生管道的環(huán)剛度為66.28 kN /m2，遠(yuǎn)超過設(shè)計所需的50 kN /m2，管壁厚度分布還有進(jìn)一步的優(yōu)化空間.為了提高管道的經(jīng)濟(jì)效益，本小節(jié)以減重為目標(biāo)，優(yōu)化內(nèi)蒙皮、外蒙皮、芯層的厚度，同時滿足環(huán)剛度S≥50N/m2.且為了方便工廠加工，各層厚度均為整數(shù)，且內(nèi)、外表皮層厚度均不小于2 mm.

經(jīng)過7輪迭代優(yōu)化收斂，優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表2所示.優(yōu)化后重量明顯下降，結(jié)構(gòu)重量米重從初始的83.3變?yōu)?1.2 kg/m，降低了14.5%.經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，各層材料厚度分布變得更為合理.此時，環(huán)剛度為51.28 kN /m2，滿足設(shè)計要求，管道造價更為合理.

表2 優(yōu)化前后對比

2 管道沖擊試驗(yàn)

評價隧道逃生管道的最重要指標(biāo)是沖擊性能：能否承受住300 kg落石從7 m高處自由下落的沖擊并保留足夠的凈空高度(h≥450 mm)以供逃生人員匍匐逃生，顯得尤為重要. 為了進(jìn)一步說明本文提出的管道結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則的可行性，采用現(xiàn)場沖擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

沖擊試驗(yàn)在室外沖擊試驗(yàn)場地進(jìn)行，如圖5所示.試件為新型逃生管道，管道內(nèi)徑為800 mm，內(nèi)蒙皮厚2 mm，外蒙皮厚3 mm，芯層厚30 mm，管道單節(jié)長度為3 m.落錘采用C50混凝土制成，重量為300 kg，通過卷揚(yáng)機(jī)將落錘提升到7 m高度.

圖5 沖擊試驗(yàn)場地布置

采用1根3 000 mm長成品新型逃生管道為1個試樣，試樣以500 mm長沙袋為支座支承在水泥混凝土實(shí)驗(yàn)場地面上，試樣定位保持水平、縱軸線順直，試樣布置見圖6所示.沖擊點(diǎn)位于管道兩端和中部，分別記為①、②、③號沖擊點(diǎn).

圖6 管道試樣布置示意

圖7、圖8為②號沖擊點(diǎn)位經(jīng)受落錘沖擊后的管道試樣照片，由圖7可見，沖擊后落錘停留在管道上表面，證明沖擊點(diǎn)位對中精準(zhǔn)，且沖擊能量被管道完全吸收；圖8為落錘移開后沖擊點(diǎn)位區(qū)域管道試樣表面及內(nèi)部變形照片，可見管道壁材料有局部層間剝離損傷及明顯塑性變形，但未出現(xiàn)穿透性破環(huán).

圖9為①號沖擊點(diǎn)位經(jīng)受落錘沖擊后的管道試樣照片，管道出口端經(jīng)受沖擊后，管道壁材料有局部層間剝離損傷及明顯塑性變形，但未出現(xiàn)穿透性破環(huán).③號沖擊點(diǎn)的沖擊情況與①號類似，不再贅述.

圖7 ②號沖擊點(diǎn)位沖擊后管道局部變形(落錘停留)

圖8 ②號沖擊點(diǎn)位沖擊后管道局部變形(落錘移開)

圖9 ①號沖擊點(diǎn)位沖擊后管道局部變形

整個沖擊實(shí)驗(yàn)過程中，鋼筋混凝土落錘及實(shí)驗(yàn)場水泥混凝土地面均無開裂、剝落等明顯損傷.每個沖擊點(diǎn)位經(jīng)沖擊實(shí)驗(yàn)后，采用人工直尺測量的方法，測量對應(yīng)落錘沖擊區(qū)域的、管道試樣豎向?qū)ΨQ面上的試樣內(nèi)部最小凈空高度，精確到mm，結(jié)果如表3所示.300 kg落錘7 m高度下落沖擊實(shí)驗(yàn)后，管道內(nèi)部最小凈空高度均大于550 mm，可以滿足施工人員低姿匍匐逃生(所需最小凈空高度為450 mm)的安全空間要求.

表3 沖擊試驗(yàn)后的凈空高度 mm

3 結(jié)論

本文提出了新型樹脂陶粒玻璃鋼復(fù)材隧道逃生管道結(jié)構(gòu)，基于環(huán)剛度準(zhǔn)則對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，并完成了逃生管道的沖擊試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

(1)新型復(fù)材逃生管道結(jié)構(gòu)經(jīng)合理設(shè)計，可以滿足環(huán)剛度和抗沖擊性能要求，且具有自重輕、造價合理、便于施工安裝等特點(diǎn);

(2)采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行新型復(fù)材逃生管道環(huán)剛度仿真計算，結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，可以用于管道的力學(xué)計算和參數(shù)優(yōu)化;

(3)本文所提出的基于環(huán)剛度準(zhǔn)則的新型復(fù)材逃生管道設(shè)計方法，結(jié)合沖擊試驗(yàn)校驗(yàn)，可用于管道設(shè)計工程實(shí)踐.