一种确定火灾中既有地铁车站混凝土结构温度分布的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地下工程火灾研究，特别是涉及复杂构造下地铁车站在火灾过程中混凝土结构温度研究。
【背景技术】
[0002]地铁车站火灾时，高温导致混凝土力学性能劣化，降低车站结构的承载能力，直接影响到车站的安全使用。另一方面，随着火源温度的升高，车站混凝土结构的温度也逐渐升高，混凝土结构内部和周围布置了各种线缆和设施，高温的混凝土会影响这些线缆和设施的正常使用，影响车站的工作性能，甚至使车站失去控制，造成严重事故。因此，掌握火灾期间车站主体混凝土结构中温度场的变化规律是重要的。
[0003]目前，科学界对于地下结构火灾研究基本上集中在火灾时期的烟气流动分析、人员疏散、火灾检测和应急管理方面。而对火灾时期地铁车站等地下结构安全性能的研究仍处于起步阶段。本发明对地下工程火灾进行了大量研究，认为地铁车站发生火灾时，火源附近以热辐射依距离的不同形成的梯度温场为主，火源所在层顶部以热对流形成的等温场为主，只有兼顾二者的综合影响，才能更加准确的分析地铁车站结构在火灾中的温度分布和变化情况。
[0004]基于FLAC3D的热固耦合分析对沈阳地铁一号线与二号线换乘站，青年大街站的复杂地下主体混凝土结构在火灾过程中的温度场变化进行了模拟与研究。为分析车站主体结构在火灾中的安全性提供依据。
【发明内容】
[0005]I车站模型的建立
根据工程提供的参数建立车站模型，如图3所示。图中只构建了车站的主体，对其他附属设施进行了简化。考虑到并不是对车站施工过程进行模拟和其特殊的“十”字形状，为提高运算效率，去掉远离车站主体结构四个角的岩土体，使整个模型也呈现“十”字形状。土体外边界距模型外边界的最小距离为10m。
[0006]mohr模型的代表材料是松散或胶结的颗粒状材料，如土体、岩石等，是岩土力学通用模型，所以外层土体采用mohr模型。elastic模型用于均质各向同性连续介质材料及具有线性应力应变的材料，车站结构主体使用该模型。考虑土体中地下水的影响，流固耦合中流体模型采用fl_iso模型。根据上述本构模型构建的模型整体进行解算，得到未发生火灾的初始应力场。
[0007]2火灾温场的建立
如图3所示，在车站的主体结构中设置了三个火源，火源I设置在二号线车站南端底板，火源2设置在一号线车站东端底板，火源3设置在两车站交叉处的一号线车站的中板南侦U。这三个位置在结构和地应力作用上具有代表性。每个火源形成的温场有两部分组成，热辐射温场和热对流温场。
[0008]对于热辐射温场参考池火连续燃烧模型。这里提出三个假设，I)火源的热辐射在设置温场时只在火源所在层进行布置，其它层不受火源的直接作用；2)热对流形成的温场只作用在火源所在层顶部。3)当两个温场重叠时取温度较高者。
[0009]现就火源2的热辐射温场的建立进行说明。如图4所示，在其他条件不变的情况下，根据作者对热辐射的研究，热通量与模型内某点受热辐射产生的温度成一定的正比关系。设中心火源辐射到高为H处的顶棚时的温度为主温度T，辐射为半受限方式，设T’ X2 Ji R2=TX 2 Ji H2，式中R为模型中的某点到中心火源2的距离，T’为该点的温度，对于经计算T’〈20° C的网格单元不进行温度设置。这样在模拟不同主温度T对结构温度的影响时，就可以通过FISH语言对火源直接作用区域(假设I中涉及到得区域)内的网格单元进行温度赋值，以模拟非等温场。利用FDS对地铁火灾的模拟结果得到，火源2的热对流产生的温场贴近该层顶部，温场布置在顶棚的整个下表面，温度设置为Τ/2。
[0010]例如设Τ=200 ° C，H=8m，计算距离中心火源2为1m处网格单元的温度为T’ X2 Ji 102=200X2 ji 82，得T’ =128° C。根据表3得到的各个温度时的混凝土性质给这个单元设置属性，如果得到的T’在表3中没有对应的温度，则使用插值法确定属性。
[0011]中心火源I和中心火源3的温场设置与中心火源2的温场设置相同。这里的温场设置指车站内部空间，是不包括混凝土结构的空气填充部分，是火源能直接作用的区域。模拟所求结果是在设置该温度场后，通过热平衡计算得到的主体结构混凝土中的温度分布的温场。
[0012]3模型参数的设置
由于混凝土结构力学参数随着温度的变化也发生变化，这里通过先确定关键参数的初始值，然后根据已有的对这些参数变化的研究，确定各个温度下个参数的值。
[0013]一般地铁中发生火灾时，温度能达到1000° C以上，甚至1600° C，本发明取0~1000度作为研究范围，每100度作为一个区间进行研究，即T e {100°C、20(TC、…、1000C }。
[0014]根据本发明研究得到的弹性模量的变化规律，采用分段函数，进行线形拟合后给出的模型为:
当 T e (20 °C，200 °C ]时，ETC/EC=1.00-1.5XKT3T ;当 T e (200 °C,700 °C ]时，Etc/Ec=0.87-8.2Χ1(Γ4Τ ;当 T e (700°C，800°C ]时，Etc/Ec=0.28 。(I)
式中Et。为高温时的弹性模量；E。为常温时的弹性模量。
[0015]在800° C到1000° C时，根据试验得出高温时混凝土弹性模量和温度的比值基本稳定。
[0016]混凝土的线膨胀系数取作:ae(T)=28X (T/1000) X 10_6 (2)
式中ajT)为温度为T时混凝土的热膨胀系数。
[0017]当温度升高后，骨料的影响逐渐减小。除了轻质骨料混凝土外，一般常用的混凝土骨料对导热系数影响不明显，给出关系式:
当Te [0°C, 293 0C ]时，λ c (T)=L 355 ;iT> 293°C 时，λ C(T)=_0.001241T+1.7162。
(3)
式中入。(!0为温度为T时混凝土的导热系数。
[0018]混凝土的比热随温度的升高缓慢增加，混凝土骨料类型的不同对比热的影响较小，混凝土的配合比对比热的影响较大，当温度在100°c附近比热值有一突然增加，本发明建议取值为:
Cc(T) =900+80X (T/120)-4X (T/120)2, T e [20°C, 1200°C ](4)
式中Ce(T)为温度为T时混凝土的比热。
[0019]按照2.2节中所举的例子进行温场设置。这里设置的温场是进行热力平衡计算前设置的温场，在热力平衡计算过程中，温场根据混凝土热导的情况进行扩散。
[0020]外围岩土结构较为复杂，热力学性质难以各个确定，又因其不是研究重点，故对围岩土体热力学性质进行统一设定。整个模型包括外围岩土层及车站混凝土结构的初始温度为4。C，边界温度为4° C。外围岩土层的热力学性质:等方向传热系数为1.2，比热容880，线性热膨胀率2.0e-6。
[0021]4温场监测剖面的设置
根据3个火源位置的设置情况，确定温场监测剖面的设置。设置原则是剖面是垂直于水平面通过火源中心且平行于车站的长度方向。温场监测剖面1:Y=83m ;温场监测剖面2:X= 12m ;温场监测剖面3:X=7m。
【附图说明】
[0022]图1车站结构总平面布置示意。
[0023]图2车站效果图。
[0024]图3车站模型、火源设置及监测剖面布置。
[0025]图4火源2热辐射温场示意图。
[0026]图5温场监测剖面I在100° C温度分布图。
[0027]图6温场监测剖面I在400° C温度分布图。
[0028]图7温场监测剖面I在700° C温度分布图。
[0029]图8温场监测剖面I在1000° C温度分布图。
[0030]图9温场监测剖面2在100° C温度分布图。
[0031]图10温场监测剖面2在400° C温度分布图。
[0032]图11温场监测剖面2在700° C温度分布图。
[0033]图12温场监测剖面2在1000° C温度分布图。
[0034]图13温场监测剖面3在100° C温度分布图。
[0035]图14温场监测剖面3在400° C温度分布图。
[0036]图15温场监测剖面3在700° C温度分布图。
[0037]图16温场监测剖面3在1000° C温度分布图。
【具体实施方式】
[0038]沈阳地铁青年大街站位于i^一纬路、大西路与青年大街交叉路口，为1、2号线换乘车站，平面上呈“十”字形架构。I号线车站沿十一纬路