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隧道火灾下衬砌结构承载力研究

作　者: 廖仕超
导　师: 王薇
学　校: 中南大学
专　业: 土木工程
关键词: 隧道火灾衬砌结构数值模拟极限承载力 ANSYS
分类号: U451
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

国内外大量的火灾案例表明了火灾会对隧道衬砌结构造成严重的损害作用。本文以课题“城市特长水底隧道防火关键技术”为支撑,在国内外的火灾试验成果的基础上,用有限元法分析了隧道衬砌结构的温度场、应力场以及结构的变形,分析了衬砌截面在高温下的损伤规律,推导了衬砌等效截面极限承载力计算公式,并提出了高温下的结构折减方法,主要包括：(1)采用荷载-结构模型,考虑火灾下通风风速的大小来选取线性或均匀分布的结构横向温度荷载函数,由目前国内外的火灾试验成果选取衬砌材料的高温物理力学参数,再以有限元软件ANSYS为平台建立二维热力耦合分析模型。根据热力耦合数值模拟计算结果,获得了结构的温度场与应力场的分布规律,并从应力导致衬砌截面损伤的角度分析了高温下的结构应力对结构截面的损伤规律。(2)针对高温所致衬砌材料劣化而使结构截面损失,提出了等效强度-等效刚度法对损伤截面进行等效计算,并为此设计了基于蒙特卡罗法MATLAB计算程序,并发现由材料劣化所导致的截面损失深度与550℃等温线位置十分接近。(3)对应力与材料劣化所导致的衬砌截面损伤进行对比,选取损伤深度最大者对应的等效截面作为火灾高温下衬砌截面最终的等效截面。以平衡原理推导并提出带配筋等效截面的极限承力计算方法及其包络图绘制方法。(4)为了简化整体结构的验算且偏于安全考虑,提出以最不位置的等效截面作为整个结构的等效截面,并以此等效截面重新建立火灾下(后)的衬砌结构验算模型来重新计算结构内力、变形,以及验算结构的整体安全性。(5)建议综合考虑等效截面的极限承载力、钢筋在火灾下的温度以及折减结构模型的安全系数,来判断结构的在火灾高的耐火极限。根据研究所得规律与结论,给出提高衬砌结构的防火保护措施与防火建议。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 隧道衬砌结构防火研究现状  10-16
    1.2.1 火灾场景及火灾升温曲线  10-12
    1.2.2 混凝土与钢筋的高温性能  12-14
    1.2.3 衬砌结构在高温下的承载能力  14-16
  1.3 研究目的及主要研究内容  16-19
    1.3.1 研究目的  16
    1.3.2 主要研究内容  16-17
    1.3.3 研究方法与技术路线  17-19
第二章高温下衬砌结构二维热力耦合分析  19-55
  2.1 衬砌热力耦合分析原理与方法  19-22
    2.1.1 温度场分析  19-21
    2.1.2 热力耦合分析  21-22
  2.2 衬砌热力耦合有限元分析模型  22-25
    2.2.1 计算模型与模拟单元选取  22-23
    2.2.2 荷载加载与弹簧处理  23-24
    2.2.3 计算流程  24-25
  2.3 计算实例及其结果分析  25-54
    2.3.1 实例工程背景及其相关计算参数  25-26
    2.3.2 热力分析本构模型的选取  26-34
    2.3.3 计算结果及其分析  34-49
    2.3.4 高温应力所致衬砌截面损伤  49-54
  2.4 小结  54-55
第三章材料劣化所致衬砌截面损伤及截面承载力计算  55-69
  3.1 材料性能劣化所致衬砌截面损伤及其等效原则  55
  3.2 等效强度-刚度法  55-57
  3.3 蒙特卡罗等效截面计算方法  57-59
    3.3.1 蒙特卡罗求积法  57-58
    3.3.2 算法及其程序设计  58-59
  3.4 计算实例及分析  59-62
  3.5 衬砌等效截面的选取  62-63
  3.6 等效截面极限承载力计算  63-68
    3.6.1 高温下截面承载力特性  63-65
    3.6.2 高温下等效截面承载力计算  65-68
  3.7 小结  68-69
第四章高温下衬砌结构承载力验算及其防火建议  69-78
  4.1 衬砌结构承载力验算方法  69-70
    4.1.1 折减模型重建及其内力计算  69
    4.1.2 结构安全系数验算  69-70
    4.1.3 截面承载力验算  70
  4.2 结构耐火极限的确定  70-71
  4.3 计算实例及其结果分析  71-75
    4.3.1 结构内力及截面安全系数  71-73
    4.3.2 截面极限承载力验算  73-74
    4.3.3 结构耐火极限  74-75
  4.4 衬砌结构防火建议  75-77
    4.4.1 衬砌整体防火措施  75-76
    4.4.2 管片接头防火措施  76-77
  4.5 小结  77-78
第五章结论与展望  78-81
  5.1 本文的研究成果与创新点  78-80
  5.2 存在的问题以及需进一步研究的工作  80-81
参考文献  81-87
致谢  87-88
攻读硕士学位期间论文及参与科研情况  88

隧道火灾下衬砌结构承载力研究

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