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原文传递火灾高温下不同初始缺陷衬砌接头的力学性能研究

论文题名：	火灾高温下不同初始缺陷衬砌接头的力学性能研究
关键词：	地铁隧道;衬砌结构;抗火性能;初始缺陷
摘要：	我国各大城市基础设施的建设在迅猛地进行中，地下交通工程的开发达到了空前的规模。火灾作为隧道面临的主要灾害之一，隧道内一旦发生火灾不仅会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，而且会对隧道衬砌结构造成不可逆的损伤，盾构隧道管片接头作为隧道结构的薄弱环节，对盾构隧道管片接头的抗火性能研究显得尤为重要。　　国内外学者在研究衬砌结构抗火性能时，衬砌接头初始缺陷对衬砌结构力学性能的影响研究尚未深入展开。本文将参照徐州地铁，对存在安装误差的衬砌结构接头进行火灾试验，并借助大型有限元软件建立隧道衬砌结构热-力耦合三维数值分析模型，对火灾高温作用下盾构隧道衬砌结构接头的力学性能和损伤规律进行研究。主要研究成果如下：　　（1）点火升温开始后约6~10min开始有爆裂声，管片爆裂集中在15~20min，爆裂温度在600~700℃之间，之后爆裂渐缓，最后基本消失。衬砌管片接头混凝土距离迎火面25mm处，10-22min间会存在一个100℃的升温平台。衬砌管片接缝内侧和螺栓孔道部位爆裂崩落明显，无初始缺陷的衬砌管片爆裂面积大且深度浅，具有初始缺陷的衬砌管片剥落深度大，其中有错台初始缺陷的衬砌管片（JQ-1-0）剥落深度最大达到72mm，接头破损率达10.52%。　　（2）初始缺陷间接影响接头螺栓的温度分布，有初始缺陷的衬砌管片爆裂程度更严重，其接缝处下边缘最先破坏，以及孔道破坏严重，在缺少混凝土的保护，接头螺栓直接暴露在火焰下，使其温度急剧上升。　　（3）在火灾作用下，有初始缺陷的管片接头弯矩变化更快且降温后有较大的残余变形，其中错台初始缺陷的接头弯矩变大速率比无缺陷的快61.05%，其速率在降温阶段比无缺陷的慢53.7%，表现接头的抗弯、抗剪性能急剧下降，表现为接头张角、张开量的值变大，且接头部分发生进一步的错台现象。　　（4）有初始缺陷的管片接头刚度会比无初始缺陷衰减更快且刚度损失更多，试验结束后其剩余刚度比无缺陷减少69.7%，灾后有缺陷的管片接头的刚度会大幅缩减。　　（5）有限元分析当中，距管片内侧25mm处混凝土的温度在238℃，而距管片内侧90mm处混凝土的温度在88℃以下，在混凝土保护下，孔道内螺栓温度是手孔处温度的45.58%，混凝土具有较好隔热作用，如何避免混凝土发生爆裂，是提高接头耐火性能的关键。　　（6）有限元分析当中，无初始缺陷的管片接头在火灾初期刚度衰减更快，其接头刚度在20min内的衰减速率是其后面衰减速率的2.23倍，刚度最终衰减了29.72%；错台初始缺陷的管片接头由于接触面剪力骤增导致弯矩和张角增大，错台缺陷程度越大其弯矩突增越大，导致存在缺陷更大的接头刚度会衰减更多，接头刚度缓慢恢复28.96%，灾后接头刚度衰减了57.69%；错台和张开初始缺陷的管片接头由于接头张角变大速率比其弯矩变大速率大得多，导致其接头刚度初期衰减剧烈，其中张开缺陷程度变大使刚度衰减变得多58.92%，但张开程度更大的接头其刚度恢复了7.19%，灾后接头刚度衰减了40.73%。
作者：	宋隽
专业：	建筑与土木工程
导师：	郭震
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2021