基于耐火性實驗的隧道混凝土結(jié)構(gòu)性能分析

作者簡介：覃甘毅（1988—），主要從事公路、橋梁、隧道施工工作。

文章對隧道火情特征進行研究，根據(jù)隧道受熱特點構(gòu)建隧道混凝土耐火性實驗?zāi)Ｐ?，以實現(xiàn)隧道防火安全設(shè)計。該研究的創(chuàng)新點在于根據(jù)隧道實際火情特點構(gòu)建耐火實驗?zāi)Ｐ?，更符合隧道實際防火要求。同時，采用不同防火材料參數(shù)開展實驗，討論不同防火材料對隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐火性的影響。研究成果可為隧道火災(zāi)的預(yù)防與應(yīng)對提供理論指導(dǎo)。

隧道；混凝土結(jié)構(gòu)；耐火實驗；升溫曲線；材料模型

U458.1A461634

0?引言

隧道防火安全是隧道建設(shè)中不可忽視的重要問題。隧道火災(zāi)的發(fā)生可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，并對交通運輸、經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)境產(chǎn)生巨大影響［1］。由于公路隧道的特殊性，隧道受火后，高溫和煙霧會造成人員疏散困難、能見度降低等問題，給救援工作帶來巨大挑戰(zhàn)。目前隧道防火措施主要有兩大方向：（1）從結(jié)構(gòu)與材料上提升隧道防火性能，以滿足隧道防火要求［2］；（2）通過外部輔助，利用火情等系統(tǒng)進行提前防火。由于隧道主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，目前主要通過耐火性實驗來確定隧道混凝土結(jié)構(gòu)防火性能［3］。因此，研究將對隧道火情特征進行分析，根據(jù)隧道受熱特點構(gòu)建隧道混凝土耐火性實驗?zāi)Ｐ?，以實現(xiàn)隧道防火安全設(shè)計。研究的創(chuàng)新點在于根據(jù)隧道實際火情特點構(gòu)建耐火實驗?zāi)Ｐ停纤淼缹嶋H防火要求。同時，采用不同防火材料參數(shù)開展實驗，討論不同防火材料對隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐火性影響。研究成果還能為隧道火災(zāi)的預(yù)防與應(yīng)對提供理論指導(dǎo)，為保障交通運輸?shù)陌踩c順暢作出貢獻(xiàn)。

1?隧道混凝土耐火性實驗建模

1.1?隧道溫度分布模型構(gòu)建

為了保障隧道混凝土結(jié)構(gòu)具備足夠的耐火性與結(jié)構(gòu)安全性，將進行隧道耐火實驗設(shè)計。其中，升溫曲線能直觀地體現(xiàn)溫度與時間的變化規(guī)律，根據(jù)升溫曲線能有效反映隧道混凝土結(jié)構(gòu)性能的變化特征［4］。目前，由國內(nèi)專家閆治國根據(jù)國內(nèi)火災(zāi)場景以及碳?xì)洌℉ydrocarbon，HC）曲線提出一種適合國內(nèi)隧道研究的標(biāo)準(zhǔn)化升溫曲線，研究以其為基礎(chǔ)展開隧道耐火性實驗研究［5］。標(biāo)準(zhǔn)化升溫曲線如式（1）所示。

在隧道耐火性實驗分析中，隧道襯砌以橫向溫度進行分布，因此在耐火性實驗中會對隧道襯砌整體結(jié)構(gòu)溫度進行分析［6］。自然通風(fēng)中，隧道上部受到火情影響更大，溫度集中于上部，下部低溫空氣會持續(xù)向上部補充。因此，在隧道通風(fēng)過程，溫度由高到低分布。非自然狀態(tài)下，隧道會進行機械通風(fēng)，而機械通風(fēng)會加大熱煙在隧道的流通，使隧道溫度朝著縱向均勻分布［7］。因此，在設(shè)計耐火實驗場景時，可依據(jù)通風(fēng)以及車輛因素設(shè)置隧道溫度分布類型。其中，溫度以線性分布時，表達(dá)如式（2）所示。

若溫度以均勻分布時，則有式（3）。

當(dāng)隧道內(nèi)溫度以橫向分布時，則包含線性與均勻兩種分布狀態(tài)，如式（4）所示。

在隧道耐火性實驗分析中，還需要分析隧道縱向溫度情況，隧道縱向溫度將反映火情縱向蔓延情況，并且也是分析隧道混凝土結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)的關(guān)鍵性參數(shù)。一般來說，隧道內(nèi)濃煙受冷空氣影響，溫度將逐步降低，而隧道混凝土壓強會隨著隧道溫度的下降而升高。在隧道縱向溫度分析中，縱向溫度主要與隧道火情的規(guī)模以及通風(fēng)情況有關(guān)［8］。根據(jù)上述分析，隧道溫度縱向分布表可以用式（5）表示。

最后，在耐火實驗分析中，還需要分析混凝土結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象［9］。其中隧道內(nèi)的溫度場分布需要對隧道受火時間進行分析，可以轉(zhuǎn)化為溫度在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的傳播，其中需要考慮襯砌結(jié)構(gòu)物理特征以及幾何特點，則隧道結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)可以用微分方程表達(dá)，如式（6）所示。

此外，在隧道結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)分析中，還需要通過邊界條件來確定不同邊界性質(zhì)。

[=XQS（]基于耐火性實驗的隧道混凝土結(jié)構(gòu)性能分析/覃甘毅

1.2?隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)材料建模

隧道主要以鋼混結(jié)構(gòu)為主，其中混凝土主要由水泥、砂礫、碎石等以一定比例混合而成。當(dāng)水泥受熱后，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λc、混凝土密度ρc等呈現(xiàn)下降趨勢，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)性能。隧道耐火實驗主要評估隧道混凝土結(jié)構(gòu)受熱情況變化，因此采用ABAQUS平臺對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行建模［10］。研究選擇環(huán)屏路頂管隧道為實驗對象，模型構(gòu)建的效果如圖2所示。

在圖2中，隧道施工需要根據(jù)現(xiàn)場情況進行配筋率控制。而在隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐火性分析中，需要在襯砌結(jié)構(gòu)外設(shè)置火災(zāi)基準(zhǔn)曲線，也就是設(shè)置溫度載荷，將隧道襯砌外壁與巖觸區(qū)域溫度場邊界設(shè)置成常溫22 ℃，其余部分則設(shè)置為熱傳遞［11］。此外，隧道長時間高溫會造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)水分流失，導(dǎo)致骨料出現(xiàn)膨脹狀態(tài)，使得混凝土內(nèi)密度下降。隧道襯砌結(jié)構(gòu)以混合骨料為主，混凝土密度ρp=2 400 kg/m3。在高溫作用下，隧道混凝土泊松比與溫度成正比關(guān)系，如式（7）所示。

此外，混凝土在受熱時，導(dǎo)熱系數(shù)是一個重要參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)與混凝土含水率、骨料類型、混凝土養(yǎng)護等因素有關(guān)。根據(jù)歐洲混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，混凝土根據(jù)骨料類型的不同劃分為3類，包括硅質(zhì)骨料、鈣質(zhì)骨料以及輕質(zhì)骨料。3種骨料混凝土在不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示。

隧道混凝土耐火實驗中以硅質(zhì)骨料為研究對象，硅質(zhì)骨料導(dǎo)熱系數(shù)如式（8）所示。

比熱容對混凝土受熱過程的內(nèi)部導(dǎo)熱有直接影響，比熱容能反映出材料單位質(zhì)量下能吸收或放出的量，是耐火實驗的重要研究指標(biāo)。而混凝土熱熔比同樣與混凝土含水率、養(yǎng)護情況以及砂石類型有關(guān)。對隧道混凝土比熱容的研究需要轉(zhuǎn)化為對混凝土綜合材料的研究。因此，研究采用歐洲混凝土標(biāo)準(zhǔn)表示混凝土綜合比熱容，如式（9）所示。

在耐火性實驗中，考慮到高溫作用下鋼筋的密度并不會出現(xiàn)較大波動，鋼筋的密度為一個常數(shù)值為ρs=7 850 kg/m3。同時，高溫作用對鋼筋的熱傳導(dǎo)系數(shù)影響較低，鋼筋熱傳導(dǎo)性能主要與鋼材內(nèi)碳含量有關(guān)。因此其熱傳導(dǎo)系數(shù)表達(dá)如式（10）所示。

式中：熱傳導(dǎo)系數(shù)λs單位為W/（m·℃）。此外，考慮到高溫作用對鋼筋的比熱容有明顯影響，當(dāng)溫度＞750 ℃時，鋼筋的比熱容有明顯變化，鋼筋大量吸收熱量導(dǎo)致體積降低。因此，需要考慮鋼筋在700 ℃～800 ℃的受熱突變問題，采用比熱乘積與密度反映鋼筋受熱突變現(xiàn)象，如式（11）所示。

2?實驗案例分析

研究選取環(huán)屏路隧道為研究對象，該隧道位于珠海市南屏鎮(zhèn)中心城區(qū)，屬于城市次干道。整個隧道采用矩陣設(shè)計，隧道全長為1 588 m，隧道高度為7.57 m，隧道寬度為10.42 m。為了更方便研究隧道內(nèi)混凝土耐火性實驗，采用ABAQUS軟件構(gòu)建隧道混凝土耐火溫度場模型。實驗過程中，假設(shè)隧道內(nèi)防火涂料各向同性，且不考慮受熱過程中其他熱工性能因素，主要從導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及密度3個熱工性能指標(biāo)展開分析。耐火性實驗相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

隧道耐火實驗分析中，將設(shè)置3種實驗場景。場景1：在隧道二次襯砌面進行防火涂料噴涂，厚度分別為0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm以及3.0 cm；場景2：在隧道二次襯砌面設(shè)置防火板，材料為干法硅酸鋁纖維板，防火板厚度分別為3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm、5.0 cm、5.5 cm以及6.0 cm；場景3：在場景1噴涂3.0 cm涂料基礎(chǔ)上，對涂料熱工性能進行調(diào)整。3種隧道耐火實驗時長均為14 000 s。如圖4所示為場景1下的隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能比較曲線。

設(shè)置火源為基準(zhǔn)點，分別選取基準(zhǔn)點距離隧道混凝土距離為0 cm、10 cm以及15 cm進行混凝土耐火性比較，如圖4所示。在基準(zhǔn)點處，無處理混凝土隨著時間的增加，溫度急劇升高，在14 000 s時最高溫度達(dá)到1 103 ℃。與之對比，噴涂了3 cm防火涂料后，混凝土的最高溫度有明顯降低，但在短時間內(nèi)混凝土升溫仍舊較快，在14 000 s最高溫度為659 ℃。同時，進一步分析發(fā)現(xiàn)，隧道混凝土距離基準(zhǔn)點越遠(yuǎn)，混凝土達(dá)到溫度越低。當(dāng)距離基準(zhǔn)點為15 cm時，無處理混凝土最高溫度為228 ℃，涂抹3 cm防火涂料后的最高溫度為104 ℃，且涂料越厚，混凝土溫度越低。

如圖5所示為場景2下的隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能比較曲線。圖5（a）與圖5（b）所示分別為距離基準(zhǔn)點0 cm與基準(zhǔn)點10 cm的耐火實驗結(jié)果。當(dāng)距離基準(zhǔn)點0 cm時，防火板越厚，隧道混凝土受熱后溫度越低。如隧道采用厚度為6 cm的防火板，在14 000 s后混凝土結(jié)構(gòu)最高溫度為566 ℃，對比厚度為3 cm的防火板，混凝土的

最高溫度為692 ℃。與防火涂料相比，在短期內(nèi)混凝土升溫幅度明顯更低。同時，隨著距離基準(zhǔn)點越遠(yuǎn)，混凝土溫度受熱越低。

如圖6所示為場景3下的隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能比較曲線。圖6（a）～圖6（c）分別為等差改變防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及密度后的隧道混凝土耐火性能比較結(jié)果。改變防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)對隧道混凝土有直接影響，其中導(dǎo)熱系數(shù)越高，混凝土受熱溫度越高，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/（m·K），距離基準(zhǔn)點為0 cm時，最高溫度為1 002 ℃，而導(dǎo)熱系數(shù)為0.12 W/（m·K）時，最高溫度為682 ℃。同時改變防火涂料的比熱容，其對隧道混凝土溫度并未造成影響。最后分析不同涂料密度對混凝土耐火性的影響，防火涂料密度越大，混凝土溫度越低。如密度為250 kg/m3，距離基準(zhǔn)點為0 cm時，混凝土最高溫度為975 ℃，而密度為550 kg/m3時，最高溫度為796 ℃。不過，當(dāng)混凝土距離基準(zhǔn)點＞20 cm后，改變防火涂料的密度對混凝土耐火性能影響可以忽略不計。

3?結(jié)語

隧道混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能對于保護人員的生命安全和維護結(jié)構(gòu)的完整性至關(guān)重要。對此，開展隧道耐火性實驗分析，以更好滿足隧道防火安全要求。首先分析升溫曲線，根據(jù)隧道受火特征構(gòu)建溫度分布模型；其次對隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進行分析，根據(jù)隧道材料特點進行隧道材料建模。選擇不同防火材料以及熱工參數(shù)進行實驗，防火材料越厚，隧道混凝土結(jié)構(gòu)溫度越低，防火性能也越好。當(dāng)防火涂料與防火板均在3 cm時，防火板在短期升溫幅度相比防火涂料要更低，兩者溫差最高達(dá)到168 ℃，因此防火板性能要更好。此外，防火材料的導(dǎo)熱系數(shù)與密度對混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能有直接影響，如材料導(dǎo)熱系數(shù)越低、密度越高，混凝土受熱時溫度也越低，越利于隧道防火。未來還需要充分考慮隧道通風(fēng)以及火災(zāi)位于洞口的情況，以提升實驗的效果。

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