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.pdf

本发明公开了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，其特征在于，使用flac3d构建火源产生的除混凝土结构以外的热对流和热辐射叠加温场；根据温度不同材料性质不同的客观事实，在模拟过程中随温度升高实时调整材料参数，使模拟结果更加准确；模拟了从4°C到1000°C期间的三个设定位置火源使结构温场的变化；其包括如下步骤：车站模型的建立，火灾温场的建立，模型参数的设置，温场监测剖面的设置，结果分析；本发明可用于复杂地铁车站在活在过程中对其混凝土结构温度进行分析。

权利要求书
1.  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，其特征在于，使用flac3d构建火源产生的除混凝土结构以外的热对流和热辐射叠加温场；根据温度不同材料性质不同的客观事实，在模拟过程中随温度升高实时调整材料参数，使模拟结果更加准确；模拟了从4°C到1000°C期间的三个设定位置火源使结构温场的变化；其包括如下步骤：车站模型的建立，火灾温场的建立，模型参数的设置，温场监测剖面的设置，结果分析；本发明可用于复杂地铁车站在活在过程中对其混凝土结构温度进行分析。

2.  根据权利要求1所述的复杂地铁车站，其特征在于，模型构造的特殊性，只构建车站的主体，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。

3.  根据权利要求1所述的车站模型的建立，其特征在于，模型中使用多种本构模型相结合，其中，mohr模型的代表材料是松散或胶结的颗粒状材料，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。

4.  根据权利要求1所述的火灾温场的建立，其特征在于，火源的设置位置，在车站的主体结构中设置三个火源进行模拟分析，火源1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侧；每个火源形成的温场按照两部分进行分析，分别是热辐射温场和热对流温场。

5.  根据权利要求4所述的热辐射温场，其特征在于，对于热辐射温场参考池火连续燃烧模型，该部分设计三个条件：第一，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；第二，热对流形成的温场只作用在火源所在层顶部；第三，当两个温场重叠时取温度较高者。

6.  根据权利要求4所述的热辐射温场，其特征在于，热辐射温场的建立过程，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’×2πR2=T×2πH2，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内的网格单元进行温度赋值，用以模拟非等温场；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T/2。

7.  根据权利要求1所述的模型参数的设置，其特征在于，本发明涉及的方法考虑了混凝土结构力学参数随着温度的变化也发生变化，解决方法为：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，综合使用了下列计算模型；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∈（20℃，200℃]时，ETc/Ec=1.00-1.5×10-3T；当T∈（200℃，700℃]时，ETc/Ec=0.87-8.2×10-4T；当T∈（700℃，800℃]时，ETc/Ec=0.28;
混凝土的线膨胀系数取作: αc(T)=28×(T/1000)×10-6;
混凝土骨料对导热系数取作: 当T∈[0℃，293℃]时，λc(T)=1.355；当T＞293℃时，λc(T)=-0.001241T+1.7162;
混凝土的比热取作: Cc(T)=900+80×(T/120)-4×(T/120)2，T∈[20℃，1200℃]。

8.  根据权利要求1所述的模型参数的设置，其特征在于，整个模型包括外围岩土层及车站混凝土结构的初始温度设置为4°C，边界温度设置为4°C；外围岩土层的热力学性质：等方向传热系数设置为1.2，比热容为880，线性热膨胀率为2.0e-6。

说明书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
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
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。
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。
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
1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。
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。
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1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侧。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。
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，1）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。
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’×2πR2=T×2πH2，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1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T/2。
例如设T=200°C，H=8m，计算距离中心火源2为10m处网格单元的温度为T’×2π102=200×2π82，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。
中心火源1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。
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。
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∈{100℃、200℃、 … 、1000℃}。
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∈（20℃，200℃]时，ETc/Ec=1.00-1.5×10-3T；当T∈（200℃，700℃]时，ETc/Ec=0.87-8.2×10-4T；当T∈（700℃，800℃]时，ETc/Ec=0.28  。              （1）
式中ETc为高温时的弹性模量；Ec为常温时的弹性模量。
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。
    混凝土的线膨胀系数取作：αc(T)=28×(T/1000)×10-6      （2）
    式中αc(T)为温度为T时混凝土的热膨胀系数。
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T∈[0℃，293℃]时，λc(T)=1.355；当T＞293℃时，λc(T)=-0.001241T+1.7162。              （3）
    式中λc(T)为温度为T时混凝土的导热系数。
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℃附近比热值有一突然增加，本发明建议取值为：
Cc(T)=900+80×(T/120)-4×(T/120)2，T∈[20℃，1200℃]          （4）
式中Cc(T)为温度为T时混凝土的比热。
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。
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。
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
图1 车站结构总平面布置示意。
图2 车站效果图。
图3 车站模型、火源设置及监测剖面布置。
图4 火源2热辐射温场示意图。
图5 温场监测剖面1在100°C温度分布图。
图6 温场监测剖面1在400°C温度分布图。
图7 温场监测剖面1在700°C温度分布图。
图8 温场监测剖面1在1000°C温度分布图。
图9 温场监测剖面2在100°C温度分布图。
图10 温场监测剖面2在400°C温度分布图。
图11 温场监测剖面2在700°C温度分布图。
图12 温场监测剖面2在1000°C温度分布图。
图13 温场监测剖面3在100°C温度分布图。
图14 温场监测剖面3在400°C温度分布图。
图15 温场监测剖面3在700°C温度分布图。
图16 温场监测剖面3在1000°C温度分布图。
具体实施方式
    沈阳地铁青年大街站位于十一纬路、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。1号线车站沿十一纬路、大西路呈东西向布置；2号线车站沿青年大街呈南北向布置。1号线车站在下，采用双层岛式车站，长211m，宽22.9m；2号线车站在上，采用双层侧式车站，长141.2m，宽22m。车站总建筑面积20419m2，共设4个换乘通道、4个风道、4个出入口、7个疏散通道楼梯口。站体主要穿越粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾地层，顶板覆土厚度616m。地下水丰富,为孔隙潜水，地层渗透系数可达100m/d。车站结构总平面布置见图1，车站效果图见图2。
场区内存在一层地下水，赋存于圆砾、砾砂等强透水层中，属第四系孔隙潜水。局部地段存在由地下管道、工业及生活用水入渗形成的上层滞水。场区内第四系含水层分布连续稳定，由东向西随着含水层厚度逐渐增加，富水性也逐渐增大。场区内地下水类型为孔隙潜水，稳定水位埋深在4.60～5.70m，相当于绝对标高38.02～38.98m。地下水常年水位变幅约2m。
对T分别等于100℃、200℃、…、1000℃，分别对3个火源进行累加的10步热力平衡计算。每个火源保存了10个不同温度的热力平衡的计算结果。其中1000℃的计算结果如图13~16所示。
从图5~8中可以看出，颜色较深的地方为火源。火源附近色差变化剧烈，这附近的温场主要是热辐射形成的梯度温场。车站顶板温度比较均匀，附近温场是烟气热对流形成的温场。在温度上升的过程中，混凝土结构的传热升温性能要好于周围岩土体。混凝土结构温度紧随火源温度的变化而变化，混凝土结构吸收了大部分热能，但是混凝土结构传递给岩土体的热能并不多，混凝土与岩土交界处两侧的温度差别较大约为T/5。在400°C后，火源1引起的温场扩散到下层1号线车站内。700°C和1000°C图显示1号线的混凝土结构较高效的吸收热量，使其结构温度迅速升高，比周围岩土体传热快得多。400°C后，二号线车站的整体结构温度>T/3。总体上2号线车站结构的传热性能较好，是由于承重墙整体连续性好，传热介质连续，导致整体温度分布均匀。
图9~12为1号线车站结构的温场分布图，与2号线车站相比其空间刚度小，连续性差，车站中板与顶板和底边通过承重柱相连接组成整体结构。火源2设置在车站底板，热辐射温场影响底板和中板，热对流温场影响中板，而中板连接顶板和底板的导热介质连续性较差，造成了除火源附近区域外的热能传播主要靠中板完成。400°C后车站两端的温场开始剧烈变化，从700°C和1000°C图可以看出，车站顶板上方和底板下方的岩土层温度没有变化，一方面是由于传热主要靠中板，且中板与顶板和底板连接性不好；另一方面是由于由承重柱传递来的有限热量被顶板和底板吸收。700°C和1000°C图车站左右端温场首先出现变化是由于中板传热造成的。除热辐射区域以外的中板温度约为T/2，传递给2号线车站结构的热量不明显。火源位置2产生的热能有能力越过中板影响火源正上方顶板混凝土结构，温度约为2T/3。
从图13~16看，火源3设置在1号线车站的中板与2号线交叉的部分。与图9~12的效果一样，由于中板与底边由承重柱连接，热导性较差，底板下岩土层的温度没有变化。而火源2的热辐射温场对上部2号线结构温度影响较大，2号线交叉处结构温度约为T。图13~16也出现了车站两端温场先出现变化，这里是由于顶板传热照成的，除火源3热辐射直接作用区外中板和顶板温度约为2T/5。
综上所述，结构越连续，空间刚度越大，热能在车站混凝土结构中传播越快，温度分布越均匀。就本例车站而言，二号线的设计不利于火灾期间混凝土结构温度的控制，应加强车站顶板内和周围的线路设施的耐高温性能。一号线的中板在火灾中受到的影响较大，应加强结构内和周围的线路设施的耐高温性能。两车站的交叉处也是防护结构温度上升的重点。