[发明专利]一种基于火灾场景的隧道衬砌安全性评估装置及计算方法

摘要

本发明公开了一种基于火灾场景的隧道衬砌安全性评估装置及计算方法，该评估装置包括隧道基础数据模块、火灾场景仿真模块、衬砌火灾特性模块、围岩压力计算模块、直刚法程序模块、衬砌安全性计算模块，计算步骤如下(1)隧道基础数据模块收集相关资料；(2)火灾场景模拟模块对不同火灾场景进行仿真；(3)衬砌火灾特性模块获得不同部位的力学性能，围岩压力模块计算围岩压力；(4)直刚法程序模块计算不同部位的力学特性和内力；(5)衬砌安全性计算模块计算得到相应的安全系数。本发明为不同火灾场景下隧道内衬砌不同部位的安全性分析提供了一种可行性的计算方法，为隧道火灾后衬砌修复提供理论依据。

主权项

一种基于火灾场景的隧道衬砌安全性评估装置，该装置包括隧道基础数据模块、火灾场景仿真模块、衬砌火灾特性模块、围岩压力计算模块、直刚法程序模块、衬砌安全性计算模块；隧道基础数据模块经围岩压力计算模块与直刚法程序模块相连；所述隧道基础数据模块经火灾场景仿真模块、衬砌火灾特性模块分别与所述直刚法程序模块、衬砌安全性计算模块相连；所述直刚法程序模块与衬砌安全性计算模块相连；其特征在于，包括以下步骤：(1)隧道基础数据模块收集相关资料；(2)火灾场景模拟模块根据隧道基础数据模块的资料，确定火灾场景，设定不同火灾场景进行仿真；其中火灾场景仿真的基本控制方程组分别为：a.质量守恒方程∂ρ∂t+▿·ρu=0]]>式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；为Hulmilton算子，u为速度矢量，m/s；b.动量守恒方程ρ(∂u∂t+(u·▿)u)+▿p=ρg+f+▿·τ]]>式中：p为压力，pa；g为当地的重力加速度，m/s2；f为浮力，N；τ为层间剪切应力，pa；c.气体组分方程∂∂t(ρYl)+▿·ρYlu=▿·ρDl▿Yl+m··l′′′]]>式中：为质量相对散发率；Dl为组分气体l的扩散通量；为组分l的反应速率，kg/s；d.能量守恒方程∂∂t(ρh)+▿·ρhu=dpdt-▿·qr+▿·k▿T+Σl▿·hlρDl▿Yl]]>式中：h为总焓，J/kg；qr为化学反应项；k为导热系数，kw/(K·m)；T为温度，K；hl为组分气体的焓，J/kg；e.气体状态方程p0=ρTRΣ(YlMl)=ρTRM]]>式中：p0为参考压强；R为气体常数；Ml为组分气体的质量分数，g/mol；Yl为质量相对散发率；M为组分气体的平均质量分数，g/mol；通过耦合上述质量守恒方程、动量守恒方程、气体组分方程、能量守恒方程、气体状态方程，可以得到速度的散度方程为：▿·u=1ρcpT(▿·k▿T+▿·Σl∫cp,ldTρDl▿Yl-▿·qr)+MρΣl▿·ρDl▿(YlMl)-1ρcpTΣl∫cp,ldTρDl▿Yl+1ρΣl(MMl-hlcpT)m··l′′′+(1ρcpT-1p0)dp0dt]]>式中：cp为空气的比热系数，J/(kg·K)；cp,l为组分气体的比热系数，J/(kg·K)；hl为组分气体的焓，J/kg；进一步对方程进行化简：▿·u=1ρcpT(▿·k▿T+▿·Σl∫cp,ldTρDl▿Yl-▿·qr+q′′′·)+(1ρcpT-1p0)dp0dt]]>对整个区域进行积分，得到参考压力方程：dp0dt=∫Ω1ρcpT(▿·k▿T+▿·Σlcp,lTρDl▿l-▿·qr+q′′′)dV-∫∂Ωu·dS∫Ω(1p0-1ρcpT)dV]]>定义：H=|u|22+p~ρ∞]]>F=-u×ω+(1ρ-1ρ∞)▿p~-1ρ((ρ-ρ∞)g+f+▿·τ)]]>动量方程的最终求解形式为：▿2H=-∂(▿·u)∂t-▿·F]]>(3)衬砌火灾特性模块结合上述火灾场景仿真模块，得到不同部位的温度，从而获得不同部位的力学性能；(4)围岩压力模块计算围岩压力，根据基础数据模块，分析隧道所在断面位置，分浅埋和深埋情况，计算围岩压力；(5)直刚法程序模块根据荷载‑结构力学原理，编制直刚法程序，用矩阵位移法求解，把上述围岩压力及不同部位的力学特性代入，即可获得相应的内力；(6)考虑衬砌受火灾损伤后，强度降低和截面损伤的影响，衬砌安全性计算模块计算得到相应的安全系数。