隧道衬砌结构高温后应力应变特性分析

2017-11-01李文键

福建交通科技 2017年5期

关键词：主应力拱顶云图

■李文键

(宁德屏古高速公路有限责任公司，宁德 352200)

隧道衬砌结构高温后应力应变特性分析

■李文键

(宁德屏古高速公路有限责任公司，宁德 352200)

针对隧道衬砌结构特点，根据温度场分布规律，对隧道衬砌结构在火灾情况下的变形和承载力进行数值模拟计算，分析隧道衬砌结构应力应变变化规律。结果表明：当衬砌温度升高后，隧道衬砌结构内应力应变发生较大变化，应力接近混凝土极限抗压强度；在火灾过程中由于混凝土强度急剧下降而导致衬砌结构有效厚度变薄以及其力学性能降低，结构承载能力大幅度下降，极大降低了衬砌结构的安全性。

衬砌结构应力应变数值模拟有效厚度

1 引言

隧道属于特殊狭长封闭结构，通风条件差，使得火灾成为隧道最严重的灾害之一。隧道火灾所造成的损失是巨大的，尤其对隧道结构影响而言，可能会造成结构的坍塌或破坏。火灾后的损伤评估、修复加固以及正常使用功能的恢复都会耗费相当数量的人力、物力和财力，甚至存在由于结构被破坏而导致隧道无法修复的可能[1][2]。因此，深入研究隧道衬砌结构在火灾场景下的变形性能和承载力，对减轻火灾对隧道结构的破坏、提高隧道使用寿命具有重要的意义。

本文针对隧道衬砌结构特点，通过建立有限元分析模型，分析在火灾场景下隧道变形和衬砌结构内应力的变化。

2 有限元分析的基本假定及计算模型

传热过程由导热、对流、辐射三种形式组成。隧道发生火灾时，热空气以对流和辐射向衬砌表面传递热量，衬砌内部主要以传热方式来传递热量[3]。

2.1 基本假定

混凝土为各向同性材料，各方向传热系数相同；衬砌结构内部没有热量生成，混凝土内的水分蒸发忽略不计；采用同济大学闫治国等人成果，建立了隧道内温度随时间变化的升温曲线、加载温度，将结构简化成二维导热问题，沿隧道轴向一定范围内温度认为不变；由于钢筋在衬砌结构中所占的体积很小，计算时忽略钢筋的影响；分析中，将三维隧道简化为平面问题进行分析，衬砌及围岩采用四节点单元划分。

2.2 计算模型

数值分析采用地层-结构计算模型，路面结构以及隧道内的附属设施对隧道衬砌结构的受力性能影响较小，故不予考虑。几何模型采用五心圆带仰拱的形式。计算模型边界范围：在隧道横向y轴取140m，隧道横向x轴取120m，基本保证数值模拟边界不受开挖干扰。两侧边界节点水平方向约束，底部边界节点施加竖向约束，上边界为地表自由边界，可以自由沉降。原始应力主要是自重应力场，计算采用将衬砌和地层视为整体共同受力的统一体系，满足变形协调前提下分别计算地层和衬砌的内力。

以路面中心点为参照，将温度分布分为两个区，从π／4～3π／4角度处的衬砌点位为高温区；其余衬砌点位为次高温区。数值模拟所需要的地层物理、力学性质参数参照某隧道中实测数据，如下表1所示。表中，H为深度，E为弹性模量，μ为泊松比，C为内聚力，φ为摩擦角，γ为重度。

3 隧道衬砌结构高温后应力应变特性

3.1 衬砌结构高温后变形性能

对不同时刻(0、2、6、12、24h)隧道衬砌结构二衬内最大应变分布云图进行模拟分析。

图2 0 h最大应变分布云图

图3 2 h最大应变分布云图

图4 6 h最大应变分布云图

图5 12 h最大应变分布云图

图6 24 h最大应变分布云图

图2～图6分别为隧道衬砌结构在火灾高温过程中不同时刻的最大应变分布云图。分析表明当衬砌温度升高后，隧道衬砌结构内应变发生较大变化，尤其是拱顶、拱脚及拱腰等处。

在火灾高温中，由于不均匀温度分布，隧道衬砌结构中截面各点产生不均匀的热膨胀。然而，由于衬砌结构受外界岩土、构造应力等作用，且由于混凝土力学性能的劣化，弹性模量降低，导致应力应变复杂，衬砌结构发生显著变形。表现为衬砌拱顶位移明显的增加，拱顶位移量达到2.1mm，隧道衬砌拱顶位移随时间的变化如图7所示。

图7 隧道二衬拱顶竖向位移隧道时间的变化曲线

由图7可知，在升温初始阶段(0～1 h为升温阶段，其中0～0.5 h为升温初始阶段)，由于高温下衬砌内表面附近混凝土材料力学性能劣化而导致的变形大于不均匀热膨胀导致的位移，表现为隧道拱顶衬砌结构下沉(向坐标轴负方向)。当升温0.5 h后，随着温度向衬砌结构内部传播和升高，衬砌混凝土受热膨胀，膨胀产生的变形增大且占主导地位，表现为拱顶衬砌结构正向(向坐标轴正方向)变形，当温度开始降低时(2～6 h为降温阶段)，由固相变形和孔隙气体膨胀导致的变形隧道温度降低而减小，最终基本消失，而由升温引起的混凝土化学反应产生的巨大膨胀变形不可恢复，与混凝土力学性能劣化产生的沉降叠加，表现为拱顶下沉。混凝土自然冷却后，其力学性能得到部分恢复，拱顶沉降略有减小。

上述分析表明，隧道火灾高温时，衬砌会发生显著变形，对衬砌结构产生不良影响：

(1）衬砌结构为超静定体系，火灾高温时，衬砌变形的增加、刚度的降低会引起衬砌结构内力重分布，使得不同部位的结构安全度发生变化，尤其是受火面温度高，衬砌劣化最为严重，且温度变形大，极易产生混凝土剥落、掉块。当火灾严重时，甚至会导致非受火部位的衬砌结构由于额外承受了受火部位结构传递的荷载增量而发生破坏。

(2）火灾高温时，衬砌结构产生显著的变形，不仅会劣化混凝土力学性能，同时也会降低隧道结构防水性能，减少混凝土使用寿命，同时，若混凝土损伤严重、甚至局部脱落，也会影响隧道运营环境的安全。此外，当降温后，衬砌结构产生的变形不能完全恢复，较大的残余变形也会对隧道的结构稳定性产生影响。

3.2 衬砌结构高温后承载力

对不同时刻(0、2、6、24h)二衬内第一、三主应力分布云图进行模拟分析。

图8 0 h二衬内第一、三主应力分布云图

图9 2 h二衬内第一、三主应力分布云图

图10 6 h二衬内第一、三主应力分布云图

图11 24 h二衬内第一、三主应力分布云图

图12 衬砌内表面第一主应力随时间的变化曲线

由图8～图13可知，隧道衬砌结构在火灾高温中，衬砌点位离受火面越近，其受火灾影响越严重，其应力变化也越大。特别是第三主应力，随着温度升高，受火一侧混凝土压应力急剧增大，由未受火灾高温时0.59MPa突变到27.04MPa，接近混凝土极限抗压强度，导致混凝土有效厚度变薄，隧道衬砌结构安全性降低。

图13 衬砌内表面第三主应力随时间的变化曲线

图14 不同时刻衬砌拱顶竖轴线上第一主应力随深度的变化曲线

由图14～图15可知，在火灾高温中，随着隧道衬砌结构混凝土温度的升高，由于混凝土热膨胀和衬砌结构材料力学性能的劣化，衬砌结构拱顶截面上的第一、第三主应力均增大，但增加的速率在减小，且趋于平缓。同时，第三主应力受温度影响较大，主要是因为衬砌受热膨胀，但是由于边界的约束，衬砌结构无法伸长，从而导致其应力快速增长。