[发明专利]一种基于物质点法的火灾-爆炸下隧道损伤评估方法

说明书

发明提供一种基于物质点法的火灾‑爆炸下隧道损伤评估方法。该方法利用物质点法程序模拟隧道内部火灾后爆炸作用，采用折减混凝土衬砌结构的抗压强度和弹性模量的方式来考虑隧道内部火灾高温作用，再在其基础上建立物质点法程序，并引入HJC本构模型到物质点法源程序，模拟混凝土在火灾‑爆炸冲击作用下大变形以及动力响应，输出隧道结构在爆炸灾害后的结构损伤因子云图，绘制隧道结构在火灾‑爆炸下的损伤程度等级图，以此确定隧道结构在火灾‑爆炸下的损伤程度等级，为火灾‑爆炸连锁型灾害关键性指标的确定提供理论支持，为地下基础上设施连锁型灾害应急响应提供支撑。

技术领域

本发明涉及地铁隧道结构损伤评估领域，特别涉及一种基于物质点法的火灾-爆炸下隧道损伤评估方法。

背景技术

随着我国城市交通隧道的快速发展，大量隧道交通安全问题也随之而来。隧道具有空间形态较为封闭、车流量大等特点，一旦隧道内发生火灾灾害，火灾产生的大量热和烟气无法及时排散，隧道内部温度上升较快，蔓延速度快，往往产生爆炸灾害连续事故，造成隧道衬砌结构的二次损伤，最终导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失。

然而，火灾后爆炸试验对场地要求高、危险系数大，试验成本高。同时，隧道衬砌结构火灾-爆炸的模拟试验研究还比较少。现有的以确定性分析理论为基础的计算方法已经不能满足火灾-爆炸研究的需求。

因此，提供一种采用数值模拟手段来确定火灾后爆炸作用下隧道结构损伤的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物质点法的火灾-爆炸下隧道损伤评估方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于物质点法的火灾-爆炸下隧道损伤评估方法，包括以下步骤：

1)确定隧道内部发生火灾时的火灾场景。其中，火灾场景包括火灾规模参数、热释放速率增长模式、火灾热释放速率、升温曲线、最高温度、火灾持续时间、衬砌厚度方向温度场分布规律以及横纵向断面温度场分布规律。

2)设置火源点位置。通过折减衬砌混凝土的抗压强度和弹性模量，考虑隧道不同位置处混凝土在火灾高温作用下材料性能的劣化。

3)根据地铁隧道结构和地质条件，分区域建立地铁隧道模型。所述地铁隧道模型包括隧道主体结构模型以及周围岩土体的地质模型。将地铁隧道模型离散为N_p个物质点，对每个物质点赋予相应的材料参数。采用均匀的结构网格覆盖整个计算域生成背景网格。

4)给地铁隧道模型的初始条件、边界条件和荷载条件，设定每步计算的时间步长。

5)按实际情况设置起爆点位置，并根据爆炸物类别和爆炸物体积计算炸药当量。

6)利用物质点法求解火灾-爆炸响应。

7)根据火灾-爆炸响应，绘制隧道结构的损伤因子云图。

8)根据结构损伤等级划分标准，绘制隧道结构损伤程度等级分区图，确定隧道火灾-爆炸作用下隧道不同位置处结构损伤程度等级。

进一步，衬砌厚度方向温度情况按式(1)计算。横纵截面温度场分布按式(2)计算。

式中，x为距离衬砌表面的距离。t为火灾持续燃烧时间。

式中，T为距离火源x′处的温度，℃。T_max为火源处的温度，℃。T₀为常温，20℃。x′为距离火源的距离，m。L_tot为温度降到常温时距离火源的距离，m。