一種確定火災(zāi)中既有地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下工程火災(zāi)研究，特別是涉及復(fù)雜構(gòu)造下地鐵車站在火災(zāi)過程中混凝土結(jié)構(gòu)溫度研究。
【背景技術(shù)】
[0002]地鐵車站火災(zāi)時(shí)，高溫導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能劣化，降低車站結(jié)構(gòu)的承載能力，直接影響到車站的安全使用。另一方面，隨著火源溫度的升高，車站混凝土結(jié)構(gòu)的溫度也逐漸升高，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周圍布置了各種線纜和設(shè)施，高溫的混凝土?xí)绊戇@些線纜和設(shè)施的正常使用，影響車站的工作性能，甚至使車站失去控制，造成嚴(yán)重事故。因此，掌握火災(zāi)期間車站主體混凝土結(jié)構(gòu)中溫度場的變化規(guī)律是重要的。
[0003]目前，科學(xué)界對于地下結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究基本上集中在火災(zāi)時(shí)期的煙氣流動分析、人員疏散、火災(zāi)檢測和應(yīng)急管理方面。而對火災(zāi)時(shí)期地鐵車站等地下結(jié)構(gòu)安全性能的研究仍處于起步階段。本發(fā)明對地下工程火災(zāi)進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為地鐵車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源附近以熱輻射依距離的不同形成的梯度溫場為主，火源所在層頂部以熱對流形成的等溫場為主，只有兼顧二者的綜合影響，才能更加準(zhǔn)確的分析地鐵車站結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的溫度分布和變化情況。
[0004]基于FLAC3D的熱固耦合分析對沈陽地鐵一號線與二號線換乘站，青年大街站的復(fù)雜地下主體混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)過程中的溫度場變化進(jìn)行了模擬與研究。為分析車站主體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的安全性提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]I車站模型的建立
根據(jù)工程提供的參數(shù)建立車站模型，如圖3所示。圖中只構(gòu)建了車站的主體，對其他附屬設(shè)施進(jìn)行了簡化。考慮到并不是對車站施工過程進(jìn)行模擬和其特殊的“十”字形狀，為提高運(yùn)算效率，去掉遠(yuǎn)離車站主體結(jié)構(gòu)四個(gè)角的巖土體，使整個(gè)模型也呈現(xiàn)“十”字形狀。土體外邊界距模型外邊界的最小距離為10m。
[0006]mohr模型的代表材料是松散或膠結(jié)的顆粒狀材料，如土體、巖石等，是巖土力學(xué)通用模型，所以外層土體采用mohr模型。elastic模型用于均質(zhì)各向同性連續(xù)介質(zhì)材料及具有線性應(yīng)力應(yīng)變的材料，車站結(jié)構(gòu)主體使用該模型。考慮土體中地下水的影響，流固耦合中流體模型采用fl_iso模型。根據(jù)上述本構(gòu)模型構(gòu)建的模型整體進(jìn)行解算，得到未發(fā)生火災(zāi)的初始應(yīng)力場。
[0007]2火災(zāi)溫場的建立
如圖3所示，在車站的主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置了三個(gè)火源，火源I設(shè)置在二號線車站南端底板，火源2設(shè)置在一號線車站東端底板，火源3設(shè)置在兩車站交叉處的一號線車站的中板南偵U。這三個(gè)位置在結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力作用上具有代表性。每個(gè)火源形成的溫場有兩部分組成，熱輻射溫場和熱對流溫場。
[0008]對于熱輻射溫場參考池火連續(xù)燃燒模型。這里提出三個(gè)假設(shè)，I)火源的熱輻射在設(shè)置溫場時(shí)只在火源所在層進(jìn)行布置，其它層不受火源的直接作用；2)熱對流形成的溫場只作用在火源所在層頂部。3)當(dāng)兩個(gè)溫場重疊時(shí)取溫度較高者。
[0009]現(xiàn)就火源2的熱輻射溫場的建立進(jìn)行說明。如圖4所示，在其他條件不變的情況下，根據(jù)作者對熱輻射的研究，熱通量與模型內(nèi)某點(diǎn)受熱輻射產(chǎn)生的溫度成一定的正比關(guān)系。設(shè)中心火源輻射到高為H處的頂棚時(shí)的溫度為主溫度T，輻射為半受限方式，設(shè)T’ X2 Ji R2=TX 2 Ji H2，式中R為模型中的某點(diǎn)到中心火源2的距離，T’為該點(diǎn)的溫度，對于經(jīng)計(jì)算T’〈20° C的網(wǎng)格單元不進(jìn)行溫度設(shè)置。這樣在模擬不同主溫度T對結(jié)構(gòu)溫度的影響時(shí)，就可以通過FISH語言對火源直接作用區(qū)域(假設(shè)I中涉及到得區(qū)域)內(nèi)的網(wǎng)格單元進(jìn)行溫度賦值，以模擬非等溫場。利用FDS對地鐵火災(zāi)的模擬結(jié)果得到，火源2的熱對流產(chǎn)生的溫場貼近該層頂部，溫場布置在頂棚的整個(gè)下表面，溫度設(shè)置為Τ/2。
[0010]例如設(shè)Τ=200 ° C，H=8m，計(jì)算距離中心火源2為1m處網(wǎng)格單元的溫度為T’ X2 Ji 102=200X2 ji 82，得T’ =128° C。根據(jù)表3得到的各個(gè)溫度時(shí)的混凝土性質(zhì)給這個(gè)單元設(shè)置屬性，如果得到的T’在表3中沒有對應(yīng)的溫度，則使用插值法確定屬性。
[0011]中心火源I和中心火源3的溫場設(shè)置與中心火源2的溫場設(shè)置相同。這里的溫場設(shè)置指車站內(nèi)部空間，是不包括混凝土結(jié)構(gòu)的空氣填充部分，是火源能直接作用的區(qū)域。模擬所求結(jié)果是在設(shè)置該溫度場后，通過熱平衡計(jì)算得到的主體結(jié)構(gòu)混凝土中的溫度分布的溫場。
[0012]3模型參數(shù)的設(shè)置
由于混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)隨著溫度的變化也發(fā)生變化，這里通過先確定關(guān)鍵參數(shù)的初始值，然后根據(jù)已有的對這些參數(shù)變化的研究，確定各個(gè)溫度下個(gè)參數(shù)的值。
[0013]一般地鐵中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度能達(dá)到1000° C以上，甚至1600° C，本發(fā)明取0~1000度作為研究范圍，每100度作為一個(gè)區(qū)間進(jìn)行研究，即T e {100°C、20(TC、…、1000C }。
[0014]根據(jù)本發(fā)明研究得到的彈性模量的變化規(guī)律，采用分段函數(shù)，進(jìn)行線形擬合后給出的模型為:
當(dāng) T e (20 °C，200 °C ]時(shí)，ETC/EC=1.00-1.5XKT3T ;當(dāng) T e (200 °C,700 °C ]時(shí)，Etc/Ec=0.87-8.2Χ1(Γ4Τ ;當(dāng) T e (700°C，800°C ]時(shí)，Etc/Ec=0.28 。(I)
式中Et。為高溫時(shí)的彈性模量；E。為常溫時(shí)的彈性模量。
[0015]在800° C到1000° C時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)得出高溫時(shí)混凝土彈性模量和溫度的比值基本穩(wěn)定。
[0016]混凝土的線膨脹系數(shù)取作:ae(T)=28X (T/1000) X 10_6 (2)
式中ajT)為溫度為T時(shí)混凝土的熱膨脹系數(shù)。
[0017]當(dāng)溫度升高后，骨料的影響逐漸減小。除了輕質(zhì)骨料混凝土外，一般常用的混凝土骨料對導(dǎo)熱系數(shù)影響不明顯，給出關(guān)系式:
當(dāng)Te [0°C, 293 0C ]時(shí)，λ c (T)=L 355 ;iT> 293°C 時(shí)，λ C(T)=_0.001241T+1.7162。
(3)
式中入。(!0為溫度為T時(shí)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0018]混凝土的比熱隨溫度的升高緩慢增加，混凝土骨料類型的不同對比熱的影響較小，混凝土的配合比對比熱的影響較大，當(dāng)溫度在100°c附近比熱值有一突然增加，本發(fā)明建議取值為:
Cc(T) =900+80X (T/120)-4X (T/120)2, T e [20°C, 1200°C ](4)
式中Ce(T)為溫度為T時(shí)混凝土的比熱。
[0019]按照2.2節(jié)中所舉的例子進(jìn)行溫場設(shè)置。這里設(shè)置的溫場是進(jìn)行熱力平衡計(jì)算前設(shè)置的溫場，在熱力平衡計(jì)算過程中，溫場根據(jù)混凝土熱導(dǎo)的情況進(jìn)行擴(kuò)散。
[0020]外圍巖土結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，熱力學(xué)性質(zhì)難以各個(gè)確定，又因其不是研究重點(diǎn)，故對圍巖土體熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定。整個(gè)模型包括外圍巖土層及車站混凝土結(jié)構(gòu)的初始溫度為4。C，邊界溫度為4° C。外圍巖土層的熱力學(xué)性質(zhì):等方向傳熱系數(shù)為1.2，比熱容880，線性熱膨脹率2.0e-6。
[0021]4溫場監(jiān)測剖面的設(shè)置
根據(jù)3個(gè)火源位置的設(shè)置情況，確定溫場監(jiān)測剖面的設(shè)置。設(shè)置原則是剖面是垂直于水平面通過火源中心且平行于車站的長度方向。溫場監(jiān)測剖面1:Y=83m ;溫場監(jiān)測剖面2:X= 12m ;溫場監(jiān)測剖面3:X=7m。
【附圖說明】
[0022]圖1車站結(jié)構(gòu)總平面布置示意。
[0023]圖2車站效果圖。
[0024]圖3車站模型、火源設(shè)置及監(jiān)測剖面布置。
[0025]圖4火源2熱輻射溫場示意圖。
[0026]圖5溫場監(jiān)測剖面I在100° C溫度分布圖。
[0027]圖6溫場監(jiān)測剖面I在400° C溫度分布圖。
[0028]圖7溫場監(jiān)測剖面I在700° C溫度分布圖。
[0029]圖8溫場監(jiān)測剖面I在1000° C溫度分布圖。
[0030]圖9溫場監(jiān)測剖面2在100° C溫度分布圖。
[0031]圖10溫場監(jiān)測剖面2在400° C溫度分布圖。
[0032]圖11溫場監(jiān)測剖面2在700° C溫度分布圖。
[0033]圖12溫場監(jiān)測剖面2在1000° C溫度分布圖。
[0034]圖13溫場監(jiān)測剖面3在100° C溫度分布圖。
[0035]圖14溫場監(jiān)測剖面3在400° C溫度分布圖。
[0036]圖15溫場監(jiān)測剖面3在700° C溫度分布圖。
[0037]圖16溫場監(jiān)測剖面3在1000° C溫度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]沈陽地鐵青年大街站位于i^一緯路、大西路與青年大街交叉路口，為1、2號線換乘車站，平面上呈“十”字形架構(gòu)。I號線車站沿十一緯路