火災(zāi)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及損傷演化研究

楊 鑫

(四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，四川成都610000)

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土爆裂，同時(shí)使混凝土力學(xué)性能劣化，極大影響了混凝土的服役性能。若混凝土損傷嚴(yán)重、甚至局部脫落，大大降低結(jié)構(gòu)的承載力和安全性，影響隧道運(yùn)營環(huán)境的安全。因此，研究火災(zāi)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為及損傷演化，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)以及火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)和修復(fù)等具有重要的意義。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度出發(fā)開展了研究。卞暉[1]針對海底隧道的特點(diǎn)結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)理論分析了火災(zāi)場景下的隧道溫度場分布規(guī)律。張高樂等[2]從模型試驗(yàn)角度重點(diǎn)分析了襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面各處溫度場的變化過程。施鍵梅等[3]研究了火災(zāi)持續(xù)時(shí)間、峰值溫度及升溫速率對襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響。王薇等[4]從混凝土結(jié)構(gòu)特性的不均勻性出發(fā)研究了熱力耦合作用下襯砌混凝土細(xì)觀損傷過程。王明年等[5]開展了現(xiàn)場火災(zāi)試驗(yàn)以研究混凝土的高溫?fù)p傷。沈奕[6]研究了火災(zāi)不同升溫曲線對襯砌力學(xué)行為的影響。李忠友等[7]建立了相應(yīng)的高溫?fù)p傷分析模型，在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了溫度持續(xù)時(shí)間對材料力學(xué)性能劣化的影響。舒祿山等[8]研究了隧道管片接頭的高溫力學(xué)性能。李文鍵[9]發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)過程中由于混凝土強(qiáng)度急劇下降而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)有效厚度變薄以及其力學(xué)性能降低，結(jié)構(gòu)承載能力大幅度下降，極大降低了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。吳招鋒等[10]分析了火災(zāi)高溫下隧道襯砌內(nèi)部應(yīng)力的分布規(guī)律。

本文以久治至馬爾康段高速公路凍則柯隧道為工程依托，建立了基于HC基準(zhǔn)升溫曲線的襯砌環(huán)熱力耦合模型。分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的溫度場分布規(guī)律及襯砌結(jié)構(gòu)損傷情況，以期為隧道襯砌結(jié)構(gòu)防火耐火設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

G0615線久治—馬爾康段高速公路位于四川省阿壩州，是最新國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分。凍則柯隧道左線長729 m，右線長690 m，最大埋深122 m，為該線上的控制性工程。隧道圍巖穿越中生界三疊系中統(tǒng)扎尕山群，巖性由變質(zhì)石英砂巖、砂質(zhì)板巖與板巖構(gòu)成韻律層互層，巖石整體上屬軟巖—較硬巖，局部破碎帶段為極軟巖。隧道圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)。初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，二次襯砌采用模筑混凝土，其尺寸如圖1所示。

圖1 二次襯砌尺寸(單位：m)

2 熱力耦合有限元模型

2.1 假設(shè)條件

采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行模擬計(jì)算。整個(gè)數(shù)值模擬過程基于假設(shè)：

(1)混凝土和鋼筋均為各向同性材料，其質(zhì)量密度和泊松比均不隨溫度的變化而變化。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有熱量生成。

(3)假定襯砌內(nèi)表面受熱均勻。襯砌和圍巖的初始溫度取20 ℃，襯砌內(nèi)側(cè)表面的溫度根據(jù)升溫曲線進(jìn)行設(shè)定。

2.2 升溫曲線

根據(jù)GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和GB/T26784-2011《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)可供選擇和附加的試驗(yàn)程序》，碳?xì)?HC)升溫曲線適用于地下隧道承重結(jié)構(gòu)體系的耐火性研究。HC火災(zāi)升溫曲線的溫度時(shí)間關(guān)系如式(1)所示。

T=1080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)+T0

(1)

式中：t為時(shí)間(min)；T為t時(shí)刻襯砌內(nèi)的溫度(℃)；T0為常溫時(shí)的溫度(℃)。

2.3 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

(1)混凝土彈性模量見式(2)。

(2)

式中：Ec為常溫下混凝土的彈性模量；Ec(T)為溫度T下混凝土的彈性模量；T為受火溫度(℃)。

(2)混凝土比熱容見式(3)。

20 ℃≤T≤1200 ℃

(3)

式中：Cc(T)為混凝土比熱容，(J/kg·K)；T為受火溫度(℃)。

(3)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)見式(4)。

(4)

式中：λc(T)為混凝土導(dǎo)熱系數(shù),W(m·K)；T為受火溫度(℃)。本文采用鈣質(zhì)骨料的公式進(jìn)行求解計(jì)算。

(4)混凝土熱膨脹系數(shù)見式(5)。

(5)

式中：αc(T)為混凝土熱膨脹系數(shù)，1/K；T為受火溫度(°C)。

(5)鋼筋彈性模量見式(6)。

(6)

式中：Es為常溫下鋼筋的彈性模量；Es(T)為溫度T下鋼筋的彈性模量；T為受火溫度(℃)。

當(dāng)溫度超過700 ℃時(shí)，認(rèn)為鋼材彈性模量不再變化。

(6)鋼筋比熱容見式(7)。

Cs(T)=600

(7)

式中：Cs(T)為鋼筋比熱容，J/kg·K；T為受火溫度(℃)。

(7)鋼筋導(dǎo)熱系數(shù)見式(8)。

(8)

式中：λs(T)為鋼筋導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為受火溫度(℃)。

(8)鋼筋屈服強(qiáng)度見式(9)。

(9)

當(dāng)溫度超過700 ℃時(shí)，認(rèn)為鋼材屈服強(qiáng)度不再改變。

模型中襯砌采用C35混凝土，常溫時(shí)材料屬性參數(shù)如表1所示?；炷烈r砌采用C3D8R單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬。為了簡化模型，忽略鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，將鋼筋整體嵌入(Embedded)混凝土。

表1 常溫下材料屬性參數(shù)

混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型(Concrete Damage Plastic Model)，該模型受往復(fù)荷載作用剛度恢復(fù)如圖2所示，損傷塑性參數(shù)取值如表2所示。損傷因子采用能量等效原理進(jìn)行計(jì)算。鋼筋均采用雙直線彈塑性本構(gòu)，當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后，彈性模量降低為先前的1/100。

圖2 CDP模型受往復(fù)荷載作用剛度恢復(fù)示意

表2 混凝土損傷塑性參數(shù)

2.4 結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用

圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用通過地層彈簧來實(shí)現(xiàn)。徑向約束為受壓不抗拉的非線性接地彈簧。對于Ⅴ級(jí)圍巖，地層彈性抗力系數(shù)取150 MPa/m。彈簧剛度等于地層抗力系數(shù)與彈簧承擔(dān)面積(節(jié)點(diǎn)所在單元總面積的1/4)的乘積。通過換算，可得到接地彈簧的剛度。地層彈簧如圖3所示。

圖3 地層全周地層彈簧

2.5 荷載

圍巖相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖參數(shù)

根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，隧道寬度B為12.22 m，則寬度影響系數(shù)為：

w=1+i(B-5)=1+0.1×(12.22-5)=1.722 m

荷載等效高度為：

h=0.45×2s-1×w=0.45×25-1×1.722=12.3984 m

依托工程區(qū)段為V級(jí)圍巖，則深淺埋分界高度為：

H=2.5h=2.5×12.3984=30.996 m

由于依托工程區(qū)段最大埋深122 m，大于深淺埋分界高度，屬于深埋隧道。根據(jù)《規(guī)范》，隧道垂直均布?jí)毫椋?/p>

q=γh=247.968 kPa

隧道水平均布?jí)毫椋?/p>

e=(0.3～0.5)q=(74.3904～123.984) kPa

V級(jí)圍巖下二次襯砌承擔(dān)60%～80%的圍巖荷載，本文取70%。二次襯砌受力如圖4所示。

圖4 二次襯砌荷載示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

不同受火時(shí)間的混凝土的溫度場分布如圖5所示。受火120 min后鋼筋的溫度場分布如圖6所示。從圖中可以看出，隧道在火災(zāi)情況下，溫度的傳遞影響范圍僅限于襯砌內(nèi)，且主要分布在距離內(nèi)表面較近范圍，對周圍巖土基本無影響。隧道襯砌結(jié)構(gòu)在HC升溫曲線加載下，隨著襯砌結(jié)構(gòu)厚度的增加，襯砌結(jié)構(gòu)上溫度減弱迅速，當(dāng)距受火面16.0 cm時(shí)，溫度為71.65 ℃，在30 cm左右基本保持在常溫狀態(tài)，火災(zāi)對其幾乎沒有影響，體現(xiàn)了混凝土材料優(yōu)異的防火性能?；馂?zāi)作用120 min后，直接受火面最高溫度達(dá)到1 100 ℃，最靠近受火面的鋼筋溫度已經(jīng)達(dá)到660 ℃，已超鋼筋安全溫度的限值，鋼筋的性能會(huì)顯著下降。在實(shí)際的隧道火災(zāi)中，襯砌結(jié)構(gòu)表層混凝土?xí)l(fā)生爆裂而剝離，導(dǎo)致內(nèi)層混凝土裸露，鋼筋處的溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許值，嚴(yán)重威脅襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

圖5 不同受火時(shí)間混凝土溫度場分布(單位：K)

圖6 受火120min后鋼筋溫度場分布(單位：K)

不同受火時(shí)間襯砌損傷分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，升溫1 min后，損傷首先出現(xiàn)在拱腳的襯砌外側(cè)。隨著受火時(shí)間的增加，拱腳處的微裂縫逐漸呈現(xiàn)貫通趨勢。同時(shí)，拱頂兩側(cè)出現(xiàn)損傷，且逐步向中間擴(kuò)展直至襯砌失效，

圖7 不同受火時(shí)間襯砌損傷分布云圖

無法繼續(xù)承載。在襯砌結(jié)構(gòu)防火耐火設(shè)計(jì)及災(zāi)后維護(hù)過程中，要重點(diǎn)關(guān)注拱腳和拱頂位置。

4 結(jié)論

本文以久治至馬爾康段高速公路凍則柯隧道為工程依托，建立了基于HC基準(zhǔn)升溫曲線的襯砌環(huán)熱力耦合模型。分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的溫度場分布規(guī)律及襯砌結(jié)構(gòu)損傷情況。主要得出結(jié)論：

(1)隧道在火災(zāi)情況下，溫度的傳遞影響范圍僅限于襯砌內(nèi)，且主要分布在距離內(nèi)表面較近范圍，對周圍巖土基本無影響。

(2)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在HC升溫曲線加載下，最靠近受火面的鋼筋溫度已經(jīng)達(dá)到660 ℃，已超鋼筋安全溫度的限值，鋼筋的性能會(huì)顯著下降，嚴(yán)重威脅襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

(3)在襯砌結(jié)構(gòu)防火耐火設(shè)計(jì)及災(zāi)后維護(hù)過程中，要重點(diǎn)關(guān)注拱腳和拱頂位置。