火灾下管片爆裂温度及考虑爆裂的温度场模拟

韩兴博，刘 霁，唐 佳

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：韩兴博（1991－），男，长安大学公路学院硕士研究生，桥梁与隧道工程专业。

刘 霁（1991－），男，长安大学公路学院硕士研究生，桥梁与隧道工程专业。

唐 佳（1991－），男，长安大学公路学院硕士研究生，桥梁与隧道工程专业。

摘 要：爆裂是火灾高温下隧道衬砌管片劣化的常见现象，爆裂的发生对衬砌管片内部温度场重分布有较大影响，目前在管片温度场研究上，考虑爆裂者甚少。选定爆裂温度为400℃、500℃、600℃、700℃以及不考虑爆裂五种工况进行模拟，对比管片火灾试验结果，得到了隧道火灾下衬砌管片爆裂的具体温度。并以具体工程为例，在考虑爆裂工况下计算了火灾下衬砌管片的内部温度场，分析得到了管片不同位置内部温度随时间变化的规律，以及温度梯度在管片内部的分布规律，指出了管片防火的重点区域，对以后的隧道衬砌防火设计提供理论依据。

关键词：火灾；数值模拟；管片；爆裂温度；温度场

Abstract：Explosive spalling is one of the most common phenomenons of the lining segment of a tunnel during the fire situa－tion，and it could bring great influence to the distribution of the temperature inner the segment．Five situations，listed：400℃，500℃，600℃，700℃and non－spalling，is considered to simulate the distribution of the temperature inner the seg－ment．Compared with the result of the segment fire experiment，the specific temperature of a spalling to happen is decided． Combined with the reality project，the distribution of the temperature of the segment is worked out．The regulation of the temperature variation with time of the segment is studied，also the regulation of the temperature gradient．It predicted the very region of a segment during the fire，and it brings the theoretical basis for a fire resist segment to design．

Key words：Fire；Numerical simulation；Segment；Spalling temperature；Temperature filed

1 引言

隧道火灾不但发生频率很高，而且危害极大，一旦发生就对人员生命财产造成重大损失，其对隧道结构也会产生巨大的损害。2005年2月13日，上海市地铁盾构现场，电焊引燃冷却塔塑料散热片，引发火灾，造成管片混凝土以及接头损伤；2008年5月5日，京珠高速大宝山隧道由于货车引发火灾，造成部分墙体坍塌；1994年丹麦大贝尔特隧道施工机械引发火灾，16环管片受损，10片爆裂；1999年法国—意大利间的勃郎峰公路隧道火灾中隧道结构受到严重损坏，隧道拱顶局部沙化。

高温下衬砌管片的内部温度场及爆裂研究方面，国内外学者的主要手段为数值模拟和模型试验：Khoury［2］通过试验研究发现混凝土发生爆裂的温度大致在250～420℃之间；选择不同的混凝土材料，段雄伟［3］研究表明，在高温作用下C25混凝土发生爆裂的临界温度范围为500～600℃；文献［4］和［2］认为，影响混凝土爆裂的主要因素有升温速率、混凝土的密实性、混凝土的含湿度、外加荷载大小等；闫治国［5］通过管片火灾试验研究了火灾下管片内部温度分布规律；郭信君［6］也通过火灾试验得到了衬砌内部温度分布的详尽数据；另外徐志胜［7］、廖仕超［8］、强健［9］、赵志斌［10］等大量学者通过数值模拟研究了管片内部温度分布，取得了一定的研究成果。

模型试验相比数值模拟结果可信度高，但是其成本昂贵，国内外开展的相关试验非常有限，且由于试验本身设定的工况数量有限，而影响混凝土爆裂的因素众多，因此其结果在实际中的适用范围比较狭隘。现在科技发达，数值模拟条件成熟，其能模拟大量的工况以对应实际中的各种情况。但是这些大量的数值模拟中学者们均没有考虑混凝土爆裂对管片内温度场重分布带来的影响。

本文基于火灾下管片衬砌材料热力学性能的非线性，并考虑爆裂对衬砌管片的温度场的影响进行了有限元模拟，对比管片火灾试验得到了具体的管片材料的爆裂温度，并基于爆裂研究了火灾下衬砌管片的内部温度场规律。

2 爆裂温度计算模拟

郭信君［6］通过衬砌管片火灾试验得到了衬砌管片内部火灾下的温度场分布。本节根据其试验中的模型建立数值模拟的模型，模型采用混凝土材料，构件内直径13．3m，外直径14．5m，角度为38°34′17．14″，径向厚度0．6m，纵向厚度0．5 m，混凝土强度等级为C60，实测强度62．8MPa。管片火灾试验中的模型如图1所示，图2为数值模拟所建立的有限元模型。

图1 管片火灾试验设备［6］

使用有限元方法，考虑高温爆裂对衬砌管片温度场进行模拟。火灾场景选用HC曲线来模拟火灾时隧道内烟气温度，火灾时间持续2h。其温度随时间变化如下式：

T＝T0＋1080·（1－0．325e－0．167t－0．675e－2．5t） 　（1）

式（1）中：T0为起始温度，t为时间，单位以min计。

图2 数值模拟模型示意图

高温下混凝土材料的热力学性能会表现出典型的非线性，在常规的数值模拟中学者们一般都采用固定值，这样数值模拟结果的可信度会大大降低。根据过镇海，时旭东［11］等研究，本节数值模拟具体参数如下表1，郭信君火灾试验测得各测点的温度以及数值模拟的各爆裂温度下计算得的温度如下表2：

表1 计算参数取值表

表2 数值模拟结果统计表

由于试验的误差以及数值模拟参数取值的准确性，数值模拟不能与试验结果精确一致。另外，试验中距受火面5cm和10cm处的测点在受火过程中发生爆裂，此距离以下的测点的数据的记录时间早于2h，因此试验温度会低于理论计算温度。此处不予考虑这两组数据，分析其余数据，各爆裂温度下计算的各测点温度与试验所测得的温度的差值如图3。不考虑爆裂计算得结果普遍较试验得结果低，温度为500℃的曲线各点数值与X轴距离最近。计算得各爆裂温度与试验温度差值的方差为：

S2不考虑爆裂＝331．73，S2400＝503．90，S2500＝224．？19，S2600＝283．28，S2700＝311．59

图3 各爆裂温度下计算结果与试验差值折线图

因此，考虑爆裂温度为500℃时，数值模拟结果与试验真实结果拟合度最高，因此推荐500℃为此类材料衬砌管片的爆裂温度。

3 基于爆裂的衬砌管片内部温度场

本节以西安地铁交通二号线张家堡——尤家庄区间隧道为例，管片内径600cm，厚度35cm，火灾曲线选择HC曲线，根据同济大学闫治国［12］研究，火灾时沿管片高度方向的温度分布线形递减，如图4所示，考虑到隧道内路面的高度及火源高度，使温度主要集中在隧道路面以上的衬砌之上，计算公式如下：

式（2）中：H——隧道断面高度，m；y——断面任意一点与路面高差，m；Ty——断面上离路面距离为y处的温度，℃；TR——路面附近的温度，℃；TH——断面拱顶温度，℃。

3．1 衬砌管片温度场

由图5－8可以看出，火灾发生后管片在整个受火过程中，管片拱顶附近部位的温度明显高于其他部位，且沿厚度方向受高温影响范围更深。随着受火时间的增长，管片受高温影响范围从拱顶沿环向向两侧逐渐扩大，沿厚度方向深度也在加深。但是整体来说温度在混凝土中的传递范围

图4 温度在隧道断面的分布形式

图5 10min管片温度场云图

图6 30min管片温度场云图

非常有限，火灾发生2h时，衬砌受高温影响的范围不到混凝土厚的1／3，混凝土为较为优良的热惰性材料。

图7 1h管片温度场云图

图8 2h管片温度场云图

3．2 不同时刻温度分布规律

管片中选择的测点如图9所示：

图9 测点位置示意图

图10 拱顶各测点温度时间曲线

图11 拱腰各测点温度时间曲线

图12 边墙各测点温度时间曲线

由图10～图12可以看出，火灾发生后拱顶和拱腰位置受火面上测点的温度增长趋势和HC曲线极为相似。随着距受火面的距离的加远以及测点远离拱顶靠近边墙，温度随时间的增长近似于线性变化。同时距受火面距离的加远，管片内部温度大幅减小。此外，拱顶表层最高温度约为1100℃，拱腰处约为970℃，边墙处约为70℃，随着拱顶靠向边墙温度明显降低。

3．3 沿衬砌厚度温度分布规律

由图13～图15可以发现，发生火灾时，不论是拱顶、拱腰还是边墙，管片沿厚度方向的一定区域内存在较大的温度梯度，在这一区域中温度梯度非常明显。这一区域大致分布在衬砌内表面至厚度5cm的区域内。较大的温度梯度会造成混凝土内部的温度应力，引发混凝土性能的劣化和爆裂。这一区域也大致为钢筋混凝土的保护层，保护层的爆裂会导致钢筋直接暴露在火焰下，导致钢筋性能的极速劣化，继而导致混凝土整体的性能劣化，发生破坏。因此这一区域应该列为衬砌防火的重点区域。

图13 拱顶距受火面不同距离各测点温度曲线

图14 拱腰距受火面不同距离各测点温度曲线

图15 边墙距受火面不同距离各测点温度曲线

4 结论

（1）爆裂的发生对衬砌管片内部温度场重分布有较大影响，数值模拟时可以选定500℃为混凝土开始发生爆裂的温度，可计算得到更准确的管片内部温度场；

（2）衬砌管片内部随厚度加深，以及随管片远离拱顶，温度随时间的增加更近似于线性；

（3）衬砌管片拱顶为火灾时受高温影响最大的部位，并且管片受火面表层0～5cm范围里的温度梯度较大，此范围混凝土性能受高温劣化最严重，因此拱顶表层为管片防火的重点区域；

（4）本文考虑的爆裂温度梯度为100℃，应该缩小步距进行模拟计算，取得更精确爆裂温度；管片衬砌温度场模拟分析时应建立三维有限元模型，并考虑隧道沿行车方向的温度分布。

参考文献

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