公路隧道排烟道结构耐火性能试验研究

介绍了用于集中排烟模式的排烟道顶隔板结构耐火性能试验,包括:(1)测试隧道烟道板牛腿植筋在火灾情况下的承载力变化规律；(2)测试隧道顶隔板的高温反应,评估其损伤程度和承载力;(3)评估防火保护层在火灾中起到的延缓温度传递的作用,评估掺加聚丙烯纤维对混凝土耐高温性能的影响；(4)验证植筋胶在高温下的性能指标衰变规律等.介绍了试验目的、内容、工况设计、构件设计以及试验结论,旨在研究排烟道顶隔板结构火灾灾变规律及耐火性能关键技术参数.     

碳氢火灾下钢-混组合梁破坏试验研究

为研究钢-混组合梁(钢结构桥梁)遭遇碳氢火灾时的耐火性能与抗火设计方法,设计制作了3榀大比例钢-混组合缩尺试验梁,包括简支体系箱形截面梁、连续体系箱形截面和双肋工字形钢截面梁。开展了碳氢火灾下(前期燃油急速升温和后期天然气维持高温)简支梁跨中受火和连续梁单跨局部受火试验,获悉了截面温度场、受火跨和非受火跨挠度变化路径、裂缝发展模式、钢板屈曲特征和破坏模式。分析得到了组合梁在碳氢火灾下的耐火极限,深入揭示了组合梁截面类型和结构体系对组合梁耐火性能的影响机理。试验结果表明:混凝土具有显著的热沉效应,火灾下钢梁的升温速率远快于混凝土板,停火后钢梁温度迅速降低而混凝土板温度持续升高,混凝土板上层的温度在停火48 min后仍然呈走高趋势;碳氢火灾下简支体系钢-混组合梁的挠度从初期就表现出快速增大的趋势,最终因挠度过大而失效;连续体系钢-混组合梁受火跨的挠度在初期增长较为缓慢,最终由于墩顶负弯矩区和跨中正弯矩区均出现塑性铰,梁转为机构体系,使得跨中挠度快速增大而破坏;连续体系钢-混组合梁非受火跨由于变形协调性先上拱,随后由于受火跨刚度衰退转向下挠;闭口截面箱梁仅外表面受火,其耐火性能显著优于双肋工字形钢截面梁,在相似荷载水平下其耐火极限分别为48 min和42 min;连续体系钢-混组合梁由于多余约束的存在,从受火开始就发生剧烈的内力重分布和变形协调,相较于简支梁,其耐火极限可提高100%;高温下连续体系钢-混组合梁出现的塑性铰与常温下的不同,是一种刚度逐渐降低的时变塑性铰。研究成果可为钢结构桥梁的耐火试验方法提供指导依据,也可为其抗火设计方法奠定理论基础。     

复杂环境下连续弯钢箱梁耐火性能提升方法

交通类火灾严重威胁钢结构桥梁的耐久性和安全性。为提升复杂环境(开放火灾和弯桥荷载)下连续弯钢箱梁的耐火性能,增强钢结构桥梁的安全服役寿命,选取大型立交桥枢纽工程中两跨连续弯钢箱梁为研究对象,通过建立耐火试验验证的钢箱梁与混凝土刚性基层协同工作的数值预测模型,深入揭示开放环境碳氢火灾下传热模式和结构特征耦合的箱梁力学行为演化规律。研究了局部环境火灾作用下结构的高温响应与失效模式,分析了复杂荷载状况、弯曲半径与支座布置方式对连续弯钢箱梁火灾响应行为的影响,提出了复杂环境下连续弯钢箱梁的耐火性能提升方法。研究结果表明:连续弯钢箱梁在火灾下的内外侧挠度差值不断增大,主梁内外侧支座反力的变化呈相反趋势,并且在受火初期支座反力变化程度剧烈;受火区域边缘靠近中支点的底板与腹板严重屈曲从而先形成塑性铰,然后在受火跨跨中形成塑性铰,随即整跨结构发生突然性垮塌;荷载水平的增大会显著缩短其耐火极限,受火前期及时撤离桥上的车辆荷载能够有效地延缓变形发展并且避免结构的突然性垮塌;曲率半径小于200 m会显著加剧连续弯钢箱梁高温下的弯扭耦合效应,增大主梁内外侧挠度差值与内外侧支座反力变化幅度,削弱火灾下结构的整体稳定性能;在钢结构桥梁抗火设计时中支点应设置抗扭支座,常温下支座的布置方式对火灾下连续弯钢箱梁的支座受力状况改善甚微,应在支座与梁端附近增设外部限位装置以防止结构变形过大。研究结论可为提升复杂环境下钢结构桥梁抵抗火灾的能力以及增强安全服役寿命提供设计依据。     

火灾下预应力混凝土T形截面梁破坏模式研究

为了给出火灾下预应力混凝土薄腹梁的破坏准则,针对火灾下预应力混凝土T形截面梁桥的破坏问题,研究火灾高温传导模式和热传导混合边界条件,设定预应力混凝土T形截面梁的火灾作用模式,分析其温度场分布状态,并给出预应力混凝土T形截面梁变形破坏的计算细节和判定条件。采用热力场耦合计算方法,研究不同火灾模式下预应力混凝土T形截面梁桥的破坏模式,跟踪不同火灾模式下预应力混凝土T形截面梁的梁肋变形和翼缘板变形路径。研究结果表明:仅预应力混凝土T形截面梁的梁肋受火时,梁肋的破坏时间和翼缘板的破坏时间相同,其耐火时间相对于其他受火模式较长;预应力混凝土T形截面梁下部单侧受火时,T形截面梁的截面产生显著畸变,受火侧翼缘板的破坏先于梁肋的破坏,破坏时间提前10min;预应力混凝土T形截面梁下部和顶部均受火时,两侧翼缘板的破坏均先于梁肋的破坏,破坏时间提前10min;预应力混凝土T形截面梁顶板受火或整体受火时,T形截面梁的破坏时间相对较早,为40~60min,顶板受火对预应力混凝土T形截面梁的耐火极限影响显著,该研究可为预应力混凝土薄腹梁的抗火性能研究和抗火设计提供理论依据。     

燃油火灾下预应力混凝土梁耐火试验

为研究预应力混凝土（PC）桥梁遭遇燃油火灾时的耐火性能，设计制作了3榀大比例PC简支缩尺模型试验薄腹梁，包括1榀箱形截面梁和2榀双T形截面梁，以荷载水平和截面类型为试验参数，开展了燃油火灾升温条件下PC梁局部受火试验。获取了梁截面混凝土温度和预应力钢束温度变化、跨中挠度变化、有效预应力衰变、裂缝开展、爆裂分布与深度以及耐火极限相关试验数据，深入探索了燃油火灾高温下PC梁的损伤演化规律和破坏模式。试验结果表明：梁截面各测点温度在受火期间随着受火时间的增加其整体趋势不断升高，由于水分的蒸发造成温度曲线在100 ℃~120 ℃之间有一明显的缓平段，箱形截面梁箱内温度在达到100 ℃后几乎保持不变。停火后，混凝土内部和预应力钢束温度持续升高，距受火面距离越远，在停火后升温持续时间越长，预应力钢束在停火后最高升温161 ℃。火灾下PC梁挠曲变形分为受火初期显著增长、受火中期缓慢增长和受火后期急速增长3个阶段，最终由于预应力钢束断裂表现出明显的脆性破坏特征。按常温下适筋梁设计的PC模型试验梁在火灾高温下呈现为少筋梁破坏特征；钢束的有效预应力在火灾高温下表现出先增加、后衰减，最后被拉断应力突然降低的三阶段变化特性。箱形闭口截面梁的混凝土温度和预应力钢束温度均低于双T形开口截面梁，其耐火性能明显优于双T形开口截面梁，破坏时预应力钢束临界温度分别为397 ℃和319 ℃。荷载水平由0.35增加至0.55时，火灾下PC梁耐火极限降低21%，破坏时预应力钢束临界温度由416 ℃降低至319 ℃。研究成果可为PC桥梁耐火试验提供方法指导，为其抗火设计和灾后应急提供理论依据。     

盾构隧道管片及接头耐火试验

盾构隧道衬砌由预制钢筋混凝土管片通过螺栓连接拼装而成,存在很多薄弱接头,这使其在火灾高温条件下会呈现出更加复杂的力学响应。因此,为了获取盾构隧道管片及接头高温下力学性能,对7组足尺管片试件进行了火灾试验,研究了火灾类型(ISO834、HC及RABT标准升温曲线)、管片类型(标准块、标准块接头及封顶块接头)和密封设置对盾构隧道管片在火灾高温下力学性能的影响。试验结果表明：①在较快的升温速率和较高的温度下,管片受火面混凝土发生严重剥落,导致大量钢筋外露,影响盾构管片高温下承载力,威胁盾构隧道衬砌结构安全;②当各试验距受火面25 mm处混凝土温度均超过《建筑设计防火规范》规定的耐火极限判断标准时,试验管片变形较小且未出现破坏现象,可知仅将温度作为隧道内承重结构体耐火极限判定依据较片面和保守;③管片接头处手孔密封设置及接缝密封设置分别对连接螺栓螺母和螺杆起到了很好的保护作用,但对止水条的温度变化趋势和特征影响不大;④混凝土严重剥落导致的管片厚度减少、大量裂缝产生造成的管片完整性下降以及混凝土水分受热蒸发留下的与外界贯通的毛细孔道均严重降低管片的抗渗性能。     

火灾高温时隧道衬砌结构温度场的数值模拟

国内外发生的大量隧道火灾案例都显示了火灾对衬砌结构的严重损害以及衬砌结构耐火的重要性。依托青岛胶州湾隧道,详细介绍采用数值模拟对隧道衬砌结构火灾高温时的瞬态温度场的模拟过程,研究在火灾高温时温度沿隧道衬砌厚度的分布规律,给出一系列研究成果,对确定隧道衬砌的耐火性能、提高隧道衬砌的火灾安全性有重要意义。     

火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

基于热-力耦合的悬索桥结构抗火性能研究

利用火灾动力学软件FDS和有限元软件ABAQUS,开展基于热-力耦合原理的悬索桥结构抗火性能数值分析,探讨不同火灾工况(火源功率和环境风速)下悬索桥温度场及力学响应的变化规律。结果表明：不同火源工况的温升曲线变化趋势基本一致,但其温度上升速率及最高温度并不相同。随着火源横向、纵向距离增加,构件温度逐渐降低。随着风速增大,显著提高桥梁结构耐火时间,最大提高可达50%。随着火源功率增大,其耐火时间显著降低。当环境风速为2 m/s时,耐火时间下降约33.33%。     

火灾工况下地下共用结构中隧道顶板设计方法研究

为研究隧道、地铁和综合管廊合建结构薄弱处的抗火设计理论,保证在火灾情况下地下共用结构的安全性,以义乌商城大道车行隧道发生火灾为例,采用有限元分析软件ANSYS建立全尺寸火灾模型,利用热分析功能,研究不同火灾规模下结构温度场的分布规律,并采用理论分析的方法,对火灾后共用结构顶板极限承载力计算方法进行推导。研究结果表明:1)随火灾规模增加,混凝土径向影响范围逐渐增加,研究明确了不同火灾规模下轻、中、重度受损范围;2)提出了高温下钢筋与混凝土黏结强度、混凝土抗压强度以及钢筋屈服抗拉强度计算公式,并基于此给出了火灾后地下共用结构中隧道顶板极限承载力计算方法。     

沥青混合料燃烧试验研究

通过马歇尔试件燃烧试验和模型隧道中沥青混凝土路面燃烧试验,分别对沥青混合料受火源直接影响以及高温环境中的炙烤影响进行分析研究,并提出了隧道中沥青混凝土路面的面层防火最小设计厚度建议。     

对特长公路隧道火灾防灾救援安全策略的思考

分析了隧道火灾特点和原因,结合秦岭终南山特长公路隧道火灾试验提出隧道防火的基本原则。通过对隧道火灾防灾的各个子系统的分析,本文提出的对特长公路隧道火灾防灾救援安全策略的相关观点,对我国隧道防火设计和火灾救援有一定的指导意义。     

不同火灾规模下地下共用结构安全性研究

为探明在不同火灾规模下地下共用结构的整体安全性，进而为类似地下结构防火设计提供参考依据，以义乌商城大道隧道工程为依托，采用有限元软件ANSYS建立火灾下地下共用结构非线性瞬态热-力耦合分析模型，重点研究地下共用结构在不同火灾规模下的位移、应力变化规律以及结构各截面的安全系数。研究结果表明： 1）隧道内火灾规模的扩大会使混凝土力学性能劣化程度愈加严重，在地层荷载作用下受火结构顶板位移急剧增大，而其相邻水平共用结构顶板位移逐渐减小，进而改变共用结构的整体变形形态；且火灾高温作用会使得隧道共用结构发生应力重分布，其应力变化程度随火灾规模的增大而显著增大。2）隧道内大型客车发生火灾时，受火结构对其相邻的水平共用结构应力及安全性有较大影响，而对竖向共用结构影响较小，但可保证共用结构整体安全。     

低压细水雾在公路隧道火灾防控中的试验研究

为验证“低压细水雾灭火系统”对隧道初期火灾发展和传播的抑制效果,在云南省昭会高速公路邱家垭口隧道内开展低压细水雾灭火系统实体火灾试验。通过隧道内有关温度场和烟气场的测量,对低压细水雾灭火系统在隧道火灾中抑制和扑灭火灾、降低火场温度以及净化火源附近空气的能力进行研究。试验结果表明：在隧道风速不大于3 m/s的情况下,低压细水雾灭火系统开启后,火焰得到控制,火源附近的温度迅速降低,CO体积分数达到峰值后快速下降,O2体积分数在试验过程中始终保持在21%左右,能够确保公路隧道的消防安全和人员逃生安全。     

隧道火灾时人员安全疏散的模拟研究

开发的隧道火灾时人员疏散计算机模型Tunev，可以计算隧道内不同位置发生火灾时，人员疏散所需的时间；与火灾数值模拟软件CFD—POENICS3．5相结合，可以计算危险来临时间；通过对2种时间的比较，判断人员疏散的安全性，论述了模型的有关概念，并对工程实例进行了疏散模拟，最后简述了Tunev模型的验证和应用。     

武汉三阳路公铁合建越江隧道通风设计

武汉三阳路隧道为穿越长江的城市公路和轨道交通合建隧道,具有环保要求高、长度长和空间受限等特点,通风排烟系统设计难度大,且影响隧道的投资、运营费用、行车安全和防灾救援。为了解决洞口环保问题,对不同通风方案的气流组织、初期投资和运营费用进行研究,确定了竖井送排式纵向通风方案;针对公铁合建防灾要求高的特点,结合横断面布置,合建段公路隧道采用重点排烟,地铁隧道采用分段设置排烟道的纵向排烟方式,并采用模拟分析的方法对典型火灾工况进行了仿真计算,验证了排烟效果。     

从人员安全疏散的观点研究特长隧道横通道间距

隧道的消防设计应以保护人员的生命安全为首要目标,横通道作为隧道的安全地带,其间距的设置在人员安全疏散中是至关重要的。本文以雪峰山隧道为工程实例,阐述了一种计算横通道间距的方法,并简述了该方法的应用。首先根据特长隧道火灾特点,从人员安全疏散的观点出发,模拟分析特长隧道4种不同火灾场景下的典型自然疏散过程,并运用火灾模拟软件FDS计算不同火灾场景、不同横通道间距情况下的危险时间,然后与相应的包含人员疏散行为特征的疏散时间相比较,得出最适宜的横通道间距,并分析其经济性。其方法和结论可为特长隧道消防系统的设计、紧急疏散方案和引导指挥体系的建立提供理论依据。     

襄阳东西轴线项目沉管预制局部块体试验研究

襄阳市东西轴线项目沉管预制采用节段整体式全断面顺浇法，具有高强度、大断面、大体积的特点，管节控裂难度较大。为验证混凝土配合比、施工工艺以及裂缝控制措施的可行性及可靠性，采用Midas FEA软件，进行沉管管节在设计工况下的水化热温度应力数值仿真模拟计算，分析管节浇筑过程中混凝土内部温度及应力变化情况。数值仿真结果表明，管节连接处抗裂安全系数较低。进而选取理论开裂风险最高的边墙倒角位置和施工难度最高的中隔墙倒角位置进行模型试验，实际模拟钢筋及预埋件施工工序，全面检验原材料、配合比和混凝土施工性能的可靠性，并布设智能温度监测系统。通过局部块体试验，合理优化钢筋及预埋件的结构形式和安装工序，验证混凝土性能并优选施工配合比；同时，通过提出的原材料温控标准对模型试验进行温度智能监测数据分析。     

无纵向风下环境压强对拱顶最高温度影响数值研究

为了给高海拔隧道火灾防灾救援设计提供参考依据，通过火灾动态模拟软件(FDS)建立全尺寸模型隧道，设置5种不同环境压强，研究环境压强对隧道火灾拱顶最高温度的影响。结果表明： 1)相同火源热释放速率(HRR)下，拱顶最高温度随着压强降低而增大； 2)环境压强降低引起的空气密度与卷吸强度变化是造成拱顶最高温度变化的主要原因。基于理论分析和数值计算结果，提出考虑环境压强的拱顶最高温度预测模型。预测模型拱顶最高温度与考虑环境压强的无量纲热释放速率的2/3次幂成正比，试验数据验证了预测模型的可靠性。