特长水下公路盾构隧道结构防火保护策略及关键参数研究

特长水下公路盾构隧道普遍设置独立排烟道进行顶部集中排烟。现有隧道工程防火技术“护顶不护墙”,顶部设有排烟道时,顶部防火保护施加在烟道板上,而烟道层拱顶管片及车道层两侧管片不施加防火保护,存在安全隐患。根据隧道结构实际可能受到的火灾高温作用,结合管片、烟道板结构相对重要性,提出了新的车道层侧墙管片、烟道层拱顶管片、烟道板结构防火保护策略,即车道层所有结构表面采用RABT火灾升温曲线,烟道层所有结构表面采用基于CFD模拟的火灾升温曲线,耐火极限均不小于2.0h,管片耐火极限由管片混凝土表面及距表面25mm处温度判定,烟道板耐火极限由烟道板的极限弯曲变形量和极限弯曲变形速率判定。基于所提出的防火保护策略,开展数值模拟及耐火试验研究,确定了防火保护技术参数。结果表明:车道层侧墙管片防火保护层等效热阻应不小于0.10℃·m~2/W;烟道层拱顶管片防火保护层等效热阻在排烟口处不小于0.10℃·m~2/W,且随距排烟口距离的增大逐渐减小,距离排烟口16m处减小为零;隧道侧墙常用装饰材料搪瓷钢板在火灾过程中易发生变形而脱落;无防火保护烟道板耐火极限大于2.0h,掺加PP纤维、钢纤维可提升烟道板的耐火性能。

隧道单侧集中排烟模式下烟气蔓延距离研究

为研究隧道火灾单侧集中排烟模式的烟气流动特性,采用缩尺寸模型试验研究了隧道温度分布和烟气蔓延距离。定量分析不同火源热释放速率及排烟量作用下单侧集中排烟模式隧道纵向温度的变化规律,并通过温度场判断不同火灾工况下的烟气蔓延距离,探究火源热释放速率、排烟量与烟气蔓延距离的数学模型。结果表明:在隧道单侧集中排烟模式下,温度场呈非对称分布,排烟风机侧烟气蔓延距离大于封闭侧;火源上、下游的烟气蔓延距离随火源热释放速率的增大而增大,随排烟量的增大而减小;通过理论分析,得到单侧集中排烟模式下火源上、下游烟气蔓延距离的预测模型。

隧道纵向风及列车侧门开启方式对车厢内火灾温度场影响研究

为了探究隧道纵向通风、列车侧门开启方式对车厢内部火灾烟气温度分布的影响规律,建立1∶15缩尺寸“车-隧”耦合试验模型,以及着火车厢侧门双侧开启时“车-隧”耦合区间车厢内部考虑无量纲纵向风速、无量纲侧门开口因子、无量纲火源热释放速率的无量纲烟气回流长度分段函数关系式。定性分析车厢顶部烟气温度分布规律,定量分析车厢内烟气回流长度数据,从而揭示烟气回流长度随纵向风速、侧门开启方式和火源热释放速率变化的规律。研究结果表明:不同纵向风速下,火源上游烟气温度分布在贯通门位置处发生明显降低。不同侧门开启方式下,着火车厢侧门双侧开启工况的火源上游温度衰减速率大于侧门单侧开启的工况;随着车厢每侧侧门开启数量增加,着火车厢侧门单侧开启工况与双侧开启工况的火源上游温度衰减速率差距随之增大。着火车厢、非着火车厢侧门均单侧开启时,烟气回流长度变化规律受贯通门停滞影响较大,当火源热释放速率增大至5.7 kW,纵向风速大于0.8 m/s后,烟气回流长度不再随纵向风速的增大而变化。着火车厢侧门双侧开启、非着火车厢侧门单侧开启时,烟气回流长度符合加速衰减区、停滞区、缓慢衰减区变化规律。研究结果可为提升列车火灾烟气防治效果,加强区间隧道烟气控制及运营安全提供经验和理论参考。

地下隧道竖向疏散现场试验研究

近年来,隧道的疏散设计中普遍应用竖向疏散模式,但该模式的安全性缺少真实试验数据支撑和验证。为探究隧道竖向疏散模式下的人员疏散行为特征及关键参数,采用现场试验的方法,在某隧道内搭建火灾时的交通堵塞场景,组织188名参与者(109名男性,79名女性)开展大规模人群疏散研究,针对人员疏散时间、疏散行走速度、疏散楼梯人员通行能力、疏散楼梯盖板开启时间等参数进行分析。研究结果表明:1)隧道火灾时,人员疏散受到隧道熟悉度和疏散引导的显著影响,在紧急疏散过程中更容易发生拥堵,疏散引导可极大地改善人员的出口及路径选择,提高疏散效率。2)交通堵塞状态下,人员疏散行走速度因隧道熟悉度的提高和疏散引导而显著提高。行车道上,男性和女性的平均速度分别由1.38 m/s、1.39 m/s提高至1.94 m/s、1.99 m/s。但在下部安全疏散通道内,参与者出现懈怠和放松的情绪,平均疏散行走速度会略有降低。应考虑在疏散通道内设置一些警示标志以督促引导人员疏散。3)入口宽度为1.09 m的疏散楼梯的最大人员通行能力为38人/min;男性参与者开启楼梯盖板的平均时间为7.5 s,女性参与者开启楼梯盖板的平均时间为12.6 s,相比于女性,男性参与者更容易打开楼梯盖板。研究结果可为隧道疏散逃生方案设计、运营管理提供真实试验数据参考,提高隧道防灾疏散水平。

客运专线隧道火灾疏散研究

对客运专线隧道发生火灾时,高速列车停止前旅客的疏散方式及高速列车的应急处置方式进行分析,认为起火车厢旅客在列车停止之前不要砸窗逃生,应向相邻车厢疏散;列车应向前驶离隧道或驶至紧急救援站再进行疏散。当列车迫停于隧道内进行疏散时,以广深港客运专线狮子洋隧道CRH1列车火灾为例,对最不利情况下隧道内火灾烟气蔓延和人员疏散过程进行模拟,对隧道救援通道宽度、横通道入口宽度以及横通道间距等参数设置的合理性进行评估。结果表明:火灾发生在列车中部危险性较大,火灾危害主要体现在烟气的毒性和遮光性;1.5m的救援通道宽度、1.5m的横通道入口宽度以及最大500m的横通道间距能够满足安全疏散的要求,但在列车附近出现拥挤,安全系数较低;建议新建客运专线隧道的救援通道宽度和横通道入口宽度均不小于2.0m。

车辆基地内消防车道顶部开孔自然排烟效果研究

为提高消防灭火救援效率,利用CFD软件进行数值模拟,研究了不同开孔率、开孔纵横比、开孔竖井高度对车辆基地内消防车道自然排烟效果的影响。结果表明:(1)自然排烟能有效降低车辆基地内消防车道无量纲温升;(2)增加开孔率、开孔竖井高度及减小开孔纵横比能有效降低车辆基地内无量纲温升,增大车道内高能见度范围;(3)当车辆基地内消防车道开孔率达到25%及纵横比减小至1.5后,再增加开孔率、减小开孔纵横比对车辆基地内消防车道排烟效果影响不大;(4)在车辆基地内消防车道顶部开孔率为25%的情况下,提高开孔竖井高度对车辆基地内消防车道顶部排烟效果的影响较小,因此在实际工程中可以根据设计需要设置夹层高度。

隧道纵向通风对火灾规模和火灾蔓延的影响

隧道纵向通风一方面会给火源提供大量氧气,扩大火灾规模,增加火灾蔓延的可能性;另一方面又可以带走大量热量,减小火灾蔓延的可能性。目前,这两方面影响的相对重要性还没有被很好地研究。本文对纵向通风对隧道火灾蔓延的影响进行了研究,首先分析了纵向通风对隧道火灾规模的影响,然后利用火灾动力学模拟程序FDS,对不同通风速率及相应火灾规模条件下隧道内车辆间的火灾蔓延进行了数值模拟,得出了不同通风速率条件下火灾蔓延的规律,并提出了控制隧道火灾蔓延的措施。结果表明,增加通风速率能较大地增加货车火灾的热释放速率,当通风速率小于2 m/s时,火灾蔓延的距离随通风速率的增加而增大,当通风速率大于2 m/s时,火灾蔓延的距离受通风速率的影响很小;对于客车火灾,通风对火灾的热释放速率影响较小,并且火灾蔓延的距离随通风速率的增大而减小。

盾构隧道内大客车人员下车试验及数值模拟研究

为研究盾构隧道火灾时大客车人员构成比例及满载系数对下车时间影响,采用现场试验及Pathfinder数值模拟,分析不同人员构成比例及满载系数下大客车人员下车过程。结果表明:不考虑人员疏散反应时间情况,大客车下车时间为54~68 s,大客车平均下车时间为60.68 s,每位人员平均下车时间为1.22 s;老人下车时间最长,成年女士下车时间最短,成年男士与儿童下车时间基本相等。当老人比例在30%~80%范围变化时,下车时间随老人比例增大显著增加;成年女士比例对大客车下车时间影响较小;大客车人员下车时间与满载系数相关,随满载系数增加而增加,并趋于正比例函数关系。

车辆基地排烟风亭挡板结构形式对上盖建筑的影响研究

近年来,越来越多的城市轨道交通车辆基地采用了带上盖物业开发的形式。为降低风亭排出烟气对带上盖物业开发车辆基地上盖建筑的影响,提出一种车辆基地排烟风亭外部结构挡板及其工程应用方案,并通过数值模拟方法研究不同挡板形式、角度、宽度、长度及挡板与风亭间距条件下的上盖建筑处温度、CO浓度分布。研究结果表明:1)上盖建筑处的温度、CO浓度变化趋势一致,烟气中CO对上盖建筑影响大于温度,工程设计中应以CO浓度作为首要判断标准。2)上盖建筑受烟气影响程度与风亭挡板的结构形式密切相关,受挡板的引流作用与烟气自身热浮力的影响,在风亭排烟口外侧设置与风亭不相连的挡板可有效减少烟气对上盖建筑影响。3)随着挡板角度、挡板与风亭间距的增加,上盖建筑受烟气影响程度先减少后增加,建议工程中挡板角度不大于30°,挡板上沿与风亭间距介于0.4~1.6 m之间。4)随着挡板宽度与长度的增加,排烟口正前方建筑受烟气影响逐渐减少,但排烟口两侧建筑受烟气影响逐渐增加,建议工程中挡板宽度介于排烟口长度与风亭长度之间,挡板下沿与排烟口下沿齐平。

S30408不锈钢高温材料性能及本构模型综述

精确掌握材料高温下的性能参数,对结构抗火设计的准确性具有十分重要的意义。以S30408奥氏体不锈钢为研究对象,在现有S30408不锈钢高温材料性能试验的基础上,研究发现S30408不锈钢在同种条件下,相比碳钢具有较低的升温速率,且S30408不锈钢在600℃时仍能保持50%以上的强度与刚度。但不锈钢具有更大的热膨胀率,高温给结构的稳定性带来的威胁更大。其次,对比分析了国内外学者所提出的常温及高温下不锈钢的本构模型,根据S30408不锈钢高温下性能参数的变化规律,欧洲规范给出的建议值偏不安全,建议在不锈钢结构设计中采用Rasmussen模型,在结构抗火的数值模拟分析中采用Chen和Young的模型。

超长距离盾构隧道疏散通道加压送风系统研究

为确保隧道火灾时人行疏散通道安全性,通过在人行疏散通道两端设置独立机械加压送风系统,使疏散通道保持正压状态,防止烟气侵入。利用风速法计算疏散通道加压送风量,利用FDS软件模拟计算单侧及双侧2种送风方式下隧道内烟气蔓延范围、疏散口及疏散通道气流速率分布情况。结果表明:对疏散通道加压送风时,应重点分析火源附近150 m范围内疏散口气流速率是否符合规范要求;当开启疏散口数量≤10时,采用单侧或双侧送风方式对疏散通道加压送风,疏散口稳定时气流速率均符合规范要求;采用双侧送风方式疏散口气流速率分布规律较优,确保加压送风系统适用性。

往复荷载下柔性剪力板连接组件力学性能

为研究往复荷载作用下柔性剪力板连接组件的力学性能,设计制作了4个剪力板连接试件,进行低周往复荷载作用下的试验研究,并采用ABAQUS对试验进行模拟分析,得到往复荷载作用下柔性剪力板连接的承载力、受力—变形关系及失效模式,给出柔性剪力板连接的设计建议。研究结果表明:当端距在2.5倍螺栓直径内时,螺栓孔承压组件承载力与端距成线性关系;在卸载时,柔性剪力板连接的受力—变形为线性关系;螺栓孔承压组件的变形能力强于螺栓受剪组件。

不同骨料等级再生混凝土的收缩徐变性能

在分析国内外再生骨料分类标准的基础上,建议增加Ⅳ类再生粗、细骨料等级,并给出该级别再生骨料的性能参数。总结国内外规范中不同再生粗骨料取代率对应的收缩、徐变修正系数的取值范围;系统分析骨料品质等级对再生混凝土长期变形性能的影响。采用线性回归分析法,建立同时考虑再生骨料等级、取代比例2个因素的收缩徐变修正系数的计算公式。基于该公式可以定量计算各等级再生骨料、任意骨料取代比例混凝土的收缩徐变修正系数,弥补了现行规范中仅根据取代比例单一因素取值的不足。

3%坡度盾构隧道集中排烟模式排烟阀开启方式的研究

为研究坡度盾构隧道集中排烟模式下排烟阀的最佳开启方式,依托江阴靖江长江隧道,选取水下盾构隧道最常见的3%坡度作为研究对象,采用理论分析、数值模拟等方法,对3%坡度、不同排烟阀开启方式情况下的烟气蔓延范围、排烟阀温度、排烟阀流速及排烟效率进行了分析。结果表明:3%坡度盾构隧道火源下游排烟阀在排烟系统中起关键作用,上游排烟阀的开启会降低排烟效率;随排烟阀开启组数减少和向下游偏移,排烟系统排烟效率明显增大,提升范围为12.66%~50.84%;建议3%坡度盾构隧道发生50 MW火灾时,若开启6组排烟阀,则上游1组下游5组,若开启5组排烟阀,则上游0组下游5组,若开启4组排烟阀,则上游0组下游4组。

带上盖物业地铁车辆段盖板结构耐火性能研究

通过对规范和工程案例的研究,确定地铁车辆段盖板结构主要构件的耐火极限及设计措施。基于热弹塑性本构模型编制非线性有限元分析程序,对钢筋混凝土盖板结构中的最不利楼板和主梁的瞬态温度场以及火灾下的力学行为进行数值模拟,计算结果验证了盖板结构中的梁和楼板的设计措施能够满足3.00 h耐火极限的要求。对比研究火灾下双向板与单向板的温度应力和高温塑性变形,得出薄膜效应的特征与板件长宽比的关系。通过回归分析,提出受火3.00 h时背火面温升与沿温度梯度方向厚度的关系曲线,明确盖板结构厚度最小取值。研究结果可为此类结构的防火设计提供参考。

市域快线列车内不同位置火灾对隧道温度场分布的影响研究

区间隧道火灾时的温度场分布是保障隧道结构安全与制定人员疏散方案的重要依据。根据市域快线列车车厢内部不同因素引发火灾的常见位置,通过数值模拟的方法研究市域快线列车内部不同位置火灾对隧道温度场分布的影响。研究结果表明:1)在1~3 MW火灾中,行李火灾、人为纵火常见位置对隧道拱顶温度影响较大;在4~5 MW火灾中,设备火灾常见位置对隧道拱顶温度影响较大。隧道拱顶的高温区出现在火灾车厢某个客室侧门上方。2)隧道拱顶最高点处温度峰值的最大值常出现在车厢端部客室侧门处。在火灾车厢范围外,隧道拱顶最高点处温度呈指数衰减,且纵向轴线上的火源越靠近车厢中心,隧道拱顶最高点处温度衰减越慢。3)当火源位于车厢内,疏散平台上方的拱顶温度受影响范围较小、峰值较高,当火源位于贯通道内其受影响范围较大、峰值较低,且每个客室侧门处均形成了峰值。4)市域快线列车内部火灾会对3~4节车厢范围内的疏散平台2 m高处温度产生显著影响,在此范围内客室侧门正对的位置形成峰值。当火源功率达到3 MW时,疏散平台开始出现危险区域;当火源功率达到4 MW以上,不同火灾位置时疏散平台均会出现危险区域。行李火灾、人为纵火常见位置的火灾场景更不利于人员疏散。研究成果可为隧道结构安全设计与人员疏散方案的制定提供理论支撑。

顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护及关键参数研究

依托江阴靖江长江隧道开展了盾构衬砌管片抗火性能数值模拟及烟道板耐火性能试验,提出了一种新的顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护策略。建议行车道层管片采用防火材料进行防护,烟道层拱顶部位管片采用混凝土内衬进行通长保护,烟道板不需进行防火保护。盾构管片模拟结果表明,当管片防火保护层等效热阻大于0.10℃∙m2/W时,管片耐火极限大于2.0 h;烟道板耐火性能试验表明,无防火保护烟道板构件在RABT升温曲线作用下,跨中挠度小于允许极限挠度,耐火极限大于2.0 h。模拟和试验结果表明,这种顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护策略安全可行。

地铁车辆基地盖板耐火性能数值模拟

为提高土地利用效率,地铁车辆基地顶部进行上盖物业开发已成为一种趋势。地铁车辆基地与上盖物业之间的分隔盖板耐火极限要求至少为3.0 h,而相关规范中没有关于盖板3.0 h耐火极限的设计方法。利用有限元分析软件ABAQUS,研究了在标准火灾条件下盖板配筋率、厚度和含水率对盖板温度分布的影响,并研究了钢筋保护层厚度和荷载比对盖板耐火极限的影响。结果表明:配筋率对盖板温度分布影响较小;不同厚度盖板的温度在传递到背火面之前,沿厚度方向的温度分布一致;温度传递到背火面后,改变了背火面边界的换热状态,使背火面附近温度升高并向受火面反馈;盖板越厚,背火面温度越低;随盖板含水率增大,盖板内部温度降低;根据温度分布规律提出了盖板温度分布预测模型,与有限元分析结果吻合较好;盖板满足3.0 h隔热耐火极限要求的厚度不小于170 mm;底筋保护层厚度越大,荷载比越小,盖板耐火极限越大。给出了不同保护层厚度、不同荷载比条件下车辆基地盖板的耐火极限,为地铁车辆基地盖板3.0 h耐火极限设计提供了参考。

陡坡偏压小净距隧道施工扰动空间效应研究

为了解陡坡偏压小净距隧道施工对围岩的空间扰动影响,以排头隧道为工程依托,依据工程实际进行隧道施工全过程三维数值模拟,对隧道施工影响下的围岩扰动效应进行深入分析,重点考虑了中夹岩柱的位移及应力演化特征及规律,研究结果表明:由于地形偏压与施工偏压的叠加效应导致后行洞开挖初期为施工全过程中变形控制的最关键阶段,中夹岩柱受力状态控制的关键时期及重点控制区域为先行洞开挖期间先行洞的外侧拱脚区域及后行洞开挖期间先行洞外侧拱脚至墙脚及后行洞内侧拱脚至墙脚区域。

小净距隧道中夹岩安全系数法研究与验证

结合小净距隧道的实际施工过程,将中夹岩作为支撑上部土压力的承重土柱考虑,建立中夹岩的力学分析模型。基于经典普式压力拱理论,根据中夹岩的宽高比不同将破裂面分为两种情况进行计算;借鉴边坡稳定性力学机理和极限平衡假定,推导出中夹岩破裂面的下滑力、抗滑力计算公式,采用安全系数作为中夹岩的安全稳定性高效判据。结合小净距隧道的工程案例分析,通过数值模拟验证所提出的安全系数法,结果表明,安全系数法计算的中夹岩下滑力稍大于数值模拟结果,计算结果偏于安全。