不同火灾规模下地下共用结构安全性研究

金 威， 田 源， 闫自海， 王明年

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 311122； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 3. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

0 引言

伴随着我国城镇化进程的不断加快，各大城市发展面临着越来越大的地上空间制约和挑战，地下空间资源的集约化、立体化高效利用被越来越多的城市所采用[1]。但由于隧道等地下空间结构较为封闭，一旦发生火灾，其火势迅猛、烟气温度高，会对结构材料性能造成较大的损伤劣化，进而严重威胁结构安全性[2]。因此，地下空间结构抗火安全性问题研究十分重要。

目前，相关专家、学者已针对交通隧道等地下空间结构的抗火安全性进行了许多研究，并取得了一定成果。文献[3]通过缩尺和足尺火灾试验等方式研究了隧道衬砌结构高温力学行为及安全性评估方法，建立了结构火灾安全性的模糊综合评估方法；文献[4]采用有限元软件ANSYS建立隧道地层-结构模型，分析了火灾下公路隧道结构温度场分布及温度应力大小，并给出了相应的安全评价准则；文献[5]通过数值模拟等研究手段对隧道衬砌结构火灾下的力学特性和稳定性进行了研究，并提出了相应的隧道衬砌结构火灾保护措施；文献[6]运用可靠度理论对火灾下盾构隧道极限承载状态下结构的可靠度进行了分析，建立了基于可靠度理论的火灾后隧道衬砌结构安全评估模型；文献[7]采用FDS分析了城市公路隧道的火灾场景以及火灾规模取值，为公路隧道结构防火设计提供了参考依据。已有文献对在火灾作用下单一形式隧道结构的高温力学行为及安全性评估方法等内容进行了研究，但针对城市地下共用结构的抗火安全性研究仍不完善。

目前我国城市地下共用结构建设数量及规模日益增大，在单洞隧道发生火灾时会存在影响其他孔隧道的安全风险，进而可能对共用结构整体安全性造成不利影响，故此类结构抗火安全性问题也不容忽视。基于此，本文以义乌商城大道隧道工程合建段为依托，采用有限元软件ANSYS建立城市隧道共用结构热-力耦合数值模型，对不同火灾规模下结构的高温力学行为进行分析，并通过确定结构强度安全性标准对共用结构的抗火安全性进行评价，以期能够为城市地下共用结构的抗火设计提供一定参考。

1 工程概况

义乌市商城大道隧道工程建设内容主要包括商城大道市政隧道工程、轨道交通地下车站、区间工程、综合管廊工程，其中国贸大道至浙医四院段的交通隧道、综合管廊、轨道交通区间三者采用合建共用结构，如图1所示。结构顶面距地面距离为4.1 m，结构为矩形闭合框架，采用C35钢筋混凝土，主筋采用HRB400，保护层厚度外侧为50 mm、内侧为40 mm。该共用结构以竖向合建为主、水平合建为辅，其中： 交通隧道为双向6车道规模，仅限客车通行，布置在地下一层，隧道侧墙厚度为900 mm，中隔墙厚度为600 mm，顶板和底板厚度均为1 200 mm；综合管廊采用两舱形式，设置高压电力舱和水信电综合舱，与交通隧道采用结构共墙形式布置；轨道交通区间隧道位于地下二层中间位置，采用结构共板形式，其侧墙与商城大道交通隧道中墙对齐布置。同时，合建结构场地地质条件较好，覆盖层较浅，以下为中、微风化岩层，其地层土体物理力学参数如表1所示。

图1 地下共用结构横断面示意图(单位： m)

Fig. 1 Cross-section of underground combined structure (unit： m)

表1 地层土体物理力学参数

2 火灾下共用结构热-力耦合数值模拟

2.1 耦合模型建立

为研究火灾高温作用下地下共用结构的安全性，利用有限元软件ANSYS建立非线性瞬态热-力耦合分析模型进行数值模拟。由于隧道火灾位置处烟气温度最高，对结构损伤也相应为最大，故着重分析此位置处结构橫断面的抗火安全性。

在数值计算中采用平面模型，进而将隧道简化成平面应变问题。共用结构采用2维8节点平面应变耦合单元Plane223进行模拟，结构与地层之间的相互作用通过弹簧单元Combin14进行模拟，并在计算过程中逐渐删除受拉弹簧单元，以模拟真实的地层约束及荷载作用，由此建立的共用结构模型如图2所示。文献[8]中通过试验对ANSYS热-力耦合模型进行了对比验证，其与本文模拟过程中所采用的单元类型、边界条件及材料性能等基本相同，故可认为所建立的耦合模型能够较好地分析火灾高温作用下隧道共用结构的变形、温度分布及应力变化规律。

图2 共用结构热-力耦合分析模型

Fig. 2 Thermal-mechanical coupling analysis model for combined structure

在进行地下共用结构热-力耦合分析时，为简化模型，隧道混凝土可按各向同性的均质材料考虑，并忽略结构内部水分在火灾高温下的蒸发以及局部混凝土爆裂对隧道结构和温度场分析的影响。由于混凝土保护层的作用，钢筋在火灾过程中损伤较小且火灾后其性能将会得到较大恢复[9]，可以根据弯曲刚度等效原则对火灾高温下钢筋混凝土等效弹性模量进行计算，如式(1)所示[10]。同时，共用结构内部钢筋所占体积较小，故不考虑钢筋对结构内部温度场的影响。混凝土材料在高温作用下的热工性能和力学性能均会发生非线性变化，其导热系数、比热容、热膨胀变形、弹性模量等可由式(2)—(6)进行计算[11-13]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

此外，模型初始温度设为20 ℃，并将衬砌结构受火面边界条件取为第三类热边界条件，即与衬砌受火面接触的高温烟气温度以及换热系数已知，其中综合换热系数h可由式(7)进行计算[14]。

h=7.05×et/372.55+0.84。

(7)

2.2 火灾场景设计

确定合适的火灾场景是隧道结构抗火安全性研究的基础依据，目前常用以下2种方式来定量描述隧道火灾场景，即热释放速率法和温升曲线法。由图1可以看出，城市交通隧道左孔左右两侧分别与综合管廊和交通隧道右孔共墙合建，且其下方与轨道交通区间共板合建，此处合建范围为最大，故考虑城市交通隧道左孔发生火灾时，对其相邻共用结构影响范围相应亦为最大，同时由于隧道内仅限客车通行；因此，本文采用热释放速率法重点研究在交通隧道左孔发生不同火灾规模时对共用结构整体安全性的影响。依据EU-REKA499隧道火灾试验和PIARC研究报告可认为，在公路隧道火灾中，不同类型客车的火灾规模及其最高温度取值如表2所示，并在不考虑隧道主动消防措施的情况下火灾持续时间为120 min[15-16]。

表2隧道火灾规模及其最高温度

Table 2 Tunnel fire scales and corresponding maximum temperatures

客车类型火灾规模/MW最高温度/℃小型2.5～5.0200中型10.0～15.0500大型20.0～30.0800

同时，对于汽车火灾而言，隧道断面温度的横向分布规律为结构顶部温度最高、路面附近温度最低，并按照线性规律过渡，可由式(8)表示[17]。

(8)

式中：H为隧道高度，m；y为断面上任一点距路面的距离，m；ty为断面上距路面y处的烟气温度，℃；tH和tR分别为断面结构顶部和路面附近的烟气温度，℃。

2.3 判定标准确定

参照《公路隧道设计规范》[18]中相关规定可知，按照破损阶段检算隧道结构截面强度时，根据结构所受的荷载组合不同，应选用不同的安全系数进行计算与分析。钢筋混凝土结构的强度安全系数可依据表3进行取值。本文共用结构热-力耦合计算过程中所施加荷载主要包括隧道结构自身承受的地层荷载以及由火灾高温所引起的附加荷载(属于其他可变荷载)，故在后续模拟结果及分析过程中确定其安全性判定标准为结构安全系数在混凝土受压时不小于1.7，而在混凝土受拉时不小于2.0。

表3钢筋混凝土结构的强度安全系数

Table 3 Strength safety coefficient of reinforced concrete structures

荷载组合混凝土达到抗压极限强度混凝土达到抗拉极限强度永久荷载+基本可变荷载2.02.4永久荷载+基本可变荷载+其他可变荷载1.72.0

因此，在隧道共用结构的共板及共墙等重要位置处共选取10个特征截面进行分析，如图3所示。按破损阶段法检算火灾后结构安全系数是否满足判定标准，即通过ANSYS提取共用结构火灾后相应截面外侧及内侧2个节点的切向应力，并利用式(9)和式(10)转化为对应截面处的弯矩M和轴力N[19]，进而依据《公路隧道设计规范》中结构计算公式得到其安全系数，从而可依据上述判定标准判断不同火灾规模下共用结构的整体安全性。

(9)

(10)

式(9)—(10)中：b为混凝土结构截面宽度，m；h为混凝土结构截面厚度，m。

图3 隧道共用结构所选截面示意

Fig. 3 Schematic diagram of selected cross-section of combined structure

3 数值模拟结果及分析

3.1 火灾规模2.5～5 MW时共用结构安全性分析

当火灾发生在城市交通隧道左孔，火灾规模为2.5～5 MW，即最高温度为200 ℃时，不考虑防火涂料的影响，建立相应的非线性热-力耦合瞬态分析模型进行模拟，可知： 结构受火120 min后其最大水平位移可达2.06 mm，出现在轨道交通区间隧道边墙位置处；最大竖向位移为-4.39 mm，出现在交通隧道左孔结构顶板位置处；而交通隧道右孔结构顶板竖向位移为-4.18 mm，如图4所示。结构顶板处温度最高，为86.8 ℃，结构内部温度分布如图5所示。同时，提取上述地下共用结构火灾后相应截面的节点应力，通过计算得到结构各截面安全系数，如表4所示。可见，结构各截面安全系数均满足判定标准，故在火灾规模为2.5～5 MW且受火120 min时地下共用结构整体安全。

图4 火灾规模2.5～5 MW受火120 min时结构变形图

Fig. 4 Deformation of structure with fire scale of 2.5～5 MW for 120 minutes

图5火灾规模2.5～5MW受火120min时结构温度分布(单位： ℃)

Fig. 5 Temperature distribution of structure with fire scale of 2.5～5 MW for 120 minutes (unit: ℃)

表4火灾规模2.5～5MW受火120min时结构各截面安全性分析

Table 4 Cross-section safety analysis of structure with fire scale of 2.5～5 MW for 120 minutes

截面位置安全系数控制标准安全性126.24拉安全29.10拉安全32.05拉安全410.13拉安全520.21压安全截面位置安全系数控制标准安全性67.97拉安全77.04压安全827.59压安全92.69拉安全104.20拉安全

图6和图7分别示出交通隧道左孔火灾规模为2.5～5 MW时共用结构部分截面在火灾发展过程中的应力变化情况。可见，火灾规模为2.5～5 MW的情况下相邻共用结构各截面应力基本保持不变，故可认为隧道内小型客车发生火灾时，受火结构对其相邻共用结构基本无影响，且可保证地下共用结构整体安全。

图6 火灾规模为2.5～5 MW时结构部分截面水平应力变化

Fig. 6 Horizontal stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 2.5～5 MW

图7 火灾规模为2.5～5 MW时结构部分截面竖向应力变化

Fig. 7 Vertical stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 2.5～5 MW

3.2 火灾规模10～15 MW时共用结构安全性分析

当火灾规模为10～15 MW时，共用结构受火120 min后其最大水平位移为2.06 mm，出现在轨道交通区间隧道边墙位置处；最大竖向位移增至-5.21 mm，出现在交通隧道左孔结构顶板位置处；而交通隧道右孔结构顶板竖向位移则减小至-3.31 mm，如图8所示。结构顶板处温度最高，为293.5 ℃，结构内部温度分布如图9所示。同理，提取上述地下共用结构火灾后相应截面的节点应力，并计算得到结构各截面安全系数，如表5所示。可见，结构各截面安全系数亦均满足判定标准，故在火灾规模为10～15 MW且受火120 min时地下共用结构整体安全。

图8 火灾规模10～15 MW受火120 min时结构变形图

Fig. 8 Deformation of structure with fire scale of 10～15 MW for 120 minutes

图9火灾规模10～15MW受火120min时结构温度分布(单位: ℃)

Fig. 9 Temperature distribution of structure with fire scale of 10～15 MW for 120 minutes (unit: ℃)

表5火灾规模10～15MW受火120min时结构各截面安全性分析

Table 5 Cross-section safety analysis of structure with fire scale of 10～15 MW for 120 minutes

截面位置安全系数控制标准安全性114.29拉安全28.00压安全33.01拉安全411.31拉安全516.63压安全截面位置安全系数控制标准安全性61.98压安全72.81压安全827.35压安全92.66拉安全104.13拉安全

图10和图11分别示出交通隧道左孔火灾规模为10～15 MW时共用结构部分截面在火灾发展过程中的应力变化情况。可见，火灾规模为10～15 MW的情况下相邻水平共用结构各截面应力变化程度较小，且竖向共用结构应变基本保持不变，故可认为隧道内中型客车发生火灾时，受火结构对其相邻共用结构基本无影响，且可保证地下共用结构整体安全。

图10 火灾规模为10～15 MW时结构部分截面水平应力变化

Fig. 10 Horizontal stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 10～15 MW

图11 火灾规模为10～15 MW时结构部分截面竖向应力变化

Fig. 11 Vertical stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 10～15 MW

3.3 火灾规模20～30 MW时共用结构安全性分析

当火灾规模为20～30 MW时，共用结构受火120 min后其最大水平位移增至3.51 mm，出现在交通隧道中隔墙位置处；最大竖向位移高达-8.71 mm，同样出现在交通隧道左孔结构顶板位置处；此时交通隧道右孔结构顶板竖向位移为-2.91 mm，如图12所示。可见，火灾规模的进一步扩大会使得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竖向位移将急剧增大，而其相邻水平共用结构顶板竖向位移逐渐减小，进而改变了地下共用结构的整体变形形态。结构顶板处温度最高，为673.5 ℃，由于混凝土材料的热惰性，受火结构内形成较大的温度梯度，但其相邻共用结构温度场均未受到火灾高温的影响，如图13所示。同理，提取上述地下共用结构火灾后相应截面的节点应力并计算得到结构各截面安全系数，如表6所示。可见，随着火灾规模的增大，共用结构不同部位的安全性随之发生变化，但其在受火120 min时各截面安全系数亦均满足判定标准。

图12 火灾规模20～30 MW受火120 min时结构变形图

Fig. 12 Deformation of structure with fire scale of 20～30 MW for 120 minutes

图13火灾规模20～30MW受火120min时结构温度分布(单位: ℃)

Fig. 13 Temperature distribution ofstructure with fire scale of 20～30 MW for 120 minutes (unit: ℃)

表6火灾规模20～30MW受火120min时结构各截面安全性分析

Table 6 Cross-section safety analysis of structure with fire scale of 20～30 MW for 120 minutes

截面位置安全系数控制标准安全性18.36拉安全22.34压安全313.26拉安全411.09拉安全514.15压安全截面位置安全系数控制标准安全性61.75压安全72.12压安全811.33拉安全92.55拉安全104.65拉安全

图14和图15分别示出交通隧道左孔火灾规模为20～30 MW时共用结构部分截面在火灾过程中的应力变化情况。可见，作为超静定结构体系，隧道共用结构在火灾高温作用下会发生显著的应力重分布，与受火结构水平共用的综合管廊及交通隧道右孔在火灾作用下其结构截面应力变化较大，其变化幅度最大超过50%，而与其竖向共用的轨道交通区间隧道结构截面应力变化较小。因此，可认为隧道内大型车辆发生火灾时，受火结构对其相邻水平共用结构影响较大，而对其他共用结构基本无影响，但亦可保证地下共用结构整体安全。

图14 火灾规模为20～30 MW时结构部分截面水平应力变化

Fig. 14 Horizontal stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 20～30 MW

图15 火灾规模为20～30 MW时结构部分截面竖向应力变化

Fig. 15 Vertical stress variation of some cross-sections of structure with fire scale of 20～30 MW

4 结论与讨论

通过建立ANSYS热-力耦合模型对隧道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进行研究，得到如下结论：

1)隧道内火灾规模的扩大会使得混凝土力学性能劣化程度愈加严重，在地层荷载的作用下受火结构的顶板位移将急剧增大，同时相邻水平共用结构顶板位移逐渐减小，进而改变了地下共用结构的整体变形形态。

2)作为超静定结构体系，隧道共用结构在火灾高温作用下会发生应力重分布，且其应力变化程度随火灾规模的增大而显著增大。当隧道火灾规模为30 MW且火灾持续时间为120 min时，结构截面应力变化幅度最大超过50%。

3)当隧道内中、小型客车发生火灾时，受火结构对其相邻共用结构基本无影响；而大型客车发生火灾时，受火结构对其相邻的水平共用结构安全性有较大影响，而对竖向共用结构影响较小，但均能保证地下共用结构整体安全。

本文尚未考虑不同火灾位置、不同受火时间等火灾场景对地下共用结构安全性的影响，故后续将会针对上述因素进行深入研究。