不同火災情景下鋼殼混凝土結構溫度傳遞規律研究

摘要：

鋼殼混凝土組合結構是一種重要的沉管隧道設計形式。研究防火板的布置及不同火災工況下該沉管結構的溫度傳遞規律，對開展運營期的鋼殼混凝土沉管隧道火災風險分析具有重要意義。以隧道火災涉事車輛作為分類，根據沉管隧道鋼殼混凝土結構建立三維有限元數值模型，模擬了小轎車、輕型車輛、巴士及重型貨車火災工況下有無防火板布置共12種情景下的鋼殼混凝土結構溫度傳遞情況。結果表明：對于鋼殼混凝土組合結構，沒有布置防火板情況下發生巴士火災或更嚴重隧道火災時，混凝土會達到建筑設計規范的防火極限，而布置有防火板時，結構溫度場在各工況下均為安全。相關成果可為鋼殼混凝土結構型沉管隧道的火災風險分析研究提供參考。

關 鍵 詞：

沉管隧道； 鋼殼混凝土組合結構； 隧道火災情景； 溫度傳遞

中圖法分類號： U459.5

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.025

0 引 言

沉管隧道按結構類型可分為鋼筋混凝土與鋼殼混凝土組合結構兩類［1］，其中鋼筋混凝土沉管隧道有大量工程案例［2-3］，如珠江沉管隧道、寧波甬江沉管隧道、南昌紅谷隧道、常洪隧道、上海外環線隧道及港珠澳大橋沉管隧道，國內鋼殼混凝土沉管隧道的代表工程為深中通道沉管隧道［4］。鋼殼混凝土組合結構是一種在雙面鋼板間充填混凝土，并通過焊在鋼板上的連接件將鋼板與混凝土組合成整體而共同受力的結構形式。該結構具有抗滲、抗裂的特性，但同時火災后果更為嚴重。由于鋼材的導熱性能強，防火隔熱層有效與否將直接影響結構的溫度場，且內側鋼板作為主要結構構件一旦受損，將直接損害結構承載能力，會對沉管隧道的運營安全造成嚴重影響。

火災事故是交通隧道的常見風險事件之一。申艷軍等［5］對2001～2017年中國發生的121起公路隧道交通事故進行統計，其中發生火災的事故占12%。2002年1月10日09：50時左右，浙江省甬臺溫高速一輛東風大貨車滿載貨物在隧道內發生火災。火災后檢查發現，在襯砌結構方面，停車帶側面邊墻瓷磚全面脫落，拱部原涂有防火涂料，火災后燃燒點附近只看見混凝土原色，并呈凹凸狀［6］。巖后隧道位于國道二廣高速公路山西省境內晉城至濟源段，2014 年3月1日隧道右線發生危化品燃爆事故，造成液態天然氣車輛爆炸，隧道內42輛汽車、1 500多噸煤炭燃燒，大火燃燒了73 h，隧道被嚴重破壞［7］。Ren等［8］通過統計2000～2016年中國高速隧道火災事故，發現隧道火災發生概率呈增加的態勢，同時不同車輛類型發生火災的概率不同，其中重型貨車火災發生概率最高。

火災發生時的高溫會使結構產生較大的熱應力，升溫會導致結構的承載能力與使用功能受到損壞并且喪失［9］，火災結束后結構內仍會存在高溫引起的殘余應變。有大量學者對隧道火災事故進行了研究，蔣樹屏等［10］以港珠澳大橋沉管隧道為例，利用足尺試驗與FDS數值模擬研究了沉管隧道火災溫度場的分布規律，發現不同火源類型對火災拱頂最高溫度和火勢發展影響較大。閆治國［11］對隧道火災的升溫曲線、襯砌結構的火災高溫力學行為開展了細致的研究，發現受火面為受壓區或受拉區時，其對襯砌結構防水性能的影響有較大的差別。習陽等［12］以深中通道沉管隧道的鋼殼混凝土結構為例，進行了火災高溫下的溫度傳遞規律研究，發現構件內部受溫度影響較大的區域位于距受火面20 cm范圍內，且同一深度下混凝土處溫度增長速率明顯小于T型肋和隔板處。

目前，一般按照隧道火災事故涉事車輛進行火災工況分類，而針對新型鋼殼混凝土組合結構在不同火災工況下溫度場的研究較少。作為鋼殼混凝土沉管隧道火災風險分析工作的一部分，本文依據隧道火災統計選擇6種隧道火災工況，考慮有無防火板的情況共設置12組隧道火災情景。以沉管隧道結構縱隔板為中位面，取縱向3 m的對稱結構，考慮不同火災情景下鋼殼混凝土結構的溫度傳遞規律，揭示結構內部鋼結構和混凝土結構溫度傳遞的差異性等規律，依據溫度場對隧道結構在不同火災情景下的安全性進行判斷。相關成果可為沉管隧道火災作用下的熱力耦合計算提供參考，并為沉管隧道火災風險評估提供依據。

1 火災升溫曲線

20世紀80年代，HC標準火災曲線開始應用于石油化工工程和海洋工程火災分析，用來描述小型石油火災。后來隧道工作者把HC曲線應用到隧道工程中，用來描述汽油箱、汽油罐、化學物品運輸罐在隧道中燃燒時的溫度變化規律，其數學表達式為

ΔT=1080［1-0.325exp-0.167t-0.675exp（-2.5t）］（1）

式中：ΔT為溫度變化，℃；t為時間，min。在HC曲線的基礎上乘以1 300/1 080便得到HCinc曲線，該曲線在法國首先被提出并應用于隧道工程的防火設計中。

Li等［13］通過理論研究與試驗數據分析了影響隧道頂部氣體溫度的因素，提出了考慮不同通風系統、風速、熱釋放率、隧道幾何形狀及火源的計算公式。以無量綱通風風速V′是否大于0.19作為隧道頂部氣體最高溫計算公式選擇的分類標準，計算如式（2）所示。

V′=V/gQbf0ρ0cpT01/3（2）

式中：g為重力加速度，m/s2；Q為總熱釋放率，kW；bf0為火源的半徑，m；ρ0為空氣密度，kg/m3；cp為空氣的熱容，kJ/（kg·K）；T0為空氣溫度，K；V為長通風風速，m/s。Li等［13］認為通常無量綱通風風速是小于0.19的，故本文也取V′小于0.19。

隧道頂部氣體最高溫計算如式（3）～（4）所示。

DTR1=17.5Q2/3Hef5/3（3）

ΔTmax=DTR1，DTR1lt;13501350，DTR1≥1350（4）

式中：Hef為火源底部距隧道頂部的距離，m，深中通道沉管隧道此值取6.6 m。

Ren等［8］對中國高速隧道2000～2016年間的火災事故進行過統計。參考該文獻及PIARC提出的涉事車輛分類方式，本文參考PIARC在2017年提出的建議值，同時假設隧道內室溫為20 ℃，計算得到不同車輛導致火災時隧道頂部氣體最高溫如表1所列。

將不同工況下隧道頂部氣體最高溫與HC標準火災曲線即公式（1）中的1 080進行替換，得到不同工況下的火災曲線。

2 計算模型

2.1 模型概述

參考文獻［14-15］中建立的鋼殼混凝土沉管隧道模型，本文鋼殼結構模型如圖1所示。橫隔板沿隧道縱向間隔3 m，以橫隔板為中心兩側各取1.5 m建立模型；同時，由于結構橫向也具有對稱性，火災高溫傳遞距離有限，模型橫向上只需建立半結構即可。由于焊釘位于格室頂板，為降低計算成本，不考慮焊釘，且鋼板與混凝土之間考慮為綁定。傳熱計算時，采用DC3D8單元進行網格劃分。

2.2 加載及邊界條件

熱量的傳遞有3種方式：對流、導熱和熱輻射。在隧道火災分析中，隧道鋼殼混凝土結構內部的熱量源于火災情況下產生的高溫煙氣流，高溫煙氣流與隧道鋼結構表面的熱對流與熱輻射使隧道結構的溫度逐漸升高。在隧道鋼殼混凝土結構內部，熱量通過結構內部的熱傳導將熱量由受火面向遠方傳遞。

圖2為模型的熱邊界條件，受熱面考慮空氣的熱對流與熱輻射，假設受火面溫度均勻分布，非受火面設置為室溫、熱對流邊界，其余面不設置熱邊界條件。受火面由于受到不同工況升溫曲線的直接影響，溫度變化較大，本次模擬受火面換熱系數取值參考文獻［16］。

2.3 熱工參數

本文采用深中通道工程的實際用材，分別為強度等級C50的混凝土和Q345鋼材。

2.3.1 鋼材

（1） 熱傳導系數。

歐洲規范中給出的鋼筋熱傳導系數計算公式為

λs=12+4×10-3Ts27.320 ℃≤Tslt;800 ℃800 ℃≤Tslt;1200 ℃（5）

（2） 比熱容。

比熱容是用于衡量材料吸收或釋放能量能力的參數。不同種類鋼筋的比熱容cs存在差異，但隨著溫度的變化趨勢相似，而且鋼筋的比熱容比較小。

歐洲規范中給出的鋼筋比熱容計算如式（6）所示。

cs=425×106+7.73×105Ts－1.69×103T2s+2.22T3s" （20 ℃≤Tslt;600 ℃）666×106－13222×106Ts－740.7（600 ℃≤Tslt;735 ℃）545×106－18099×106Ts－727.6（735 ℃≤Tslt;900 ℃）650×106 （900 ℃≤Tslt;1200 ℃）（6）

（3）密度。

鋼材的密度在計算過程中取常數，即ρs=7.2×10-9 t/mm3。

2.3.2 混凝土

（1） 熱傳導系數。

混凝土的熱傳導系數受溫度的影響較大，歐洲規范中混凝土的熱傳導系數主要從普通混凝土和輕骨料混凝土兩種類型混凝土進行定義，普通混凝土具體表達式如下：

λc=0.012×Tc1202-0.24×Tc120+2

（20 ℃≤Tc≤1200 ℃）（7）

（2） 比熱容。

歐洲會議建議對各種混凝土的比熱容采用統一的計算式：

cc=900×106+80×106Tc120-4×106Tc1202

（20 ℃≤Tc≤1200 ℃）（8）

（3） 密度。

混凝土的密度在計算過程中一般取常數，即ρc=2.4×10-9 t/mm3

2.3.3 防火板

防火板采用20 mm厚的雙層玻鎂防火板，導熱系數為0.109 mW/（mm·K），比熱容為800×106mJ/（t·K），密度為1 086×10-12 t/mm3，對流換熱系數為8.5×10-3 mW/（mm2·K）。

3 計算結果分析

因為受火面溫度選擇均勻分布，圖3為無防火板50 MW火災情況下混凝土結構120 min時的溫度場。無防火板情況下，混凝土結構溫度可高達1 000 ℃，遠離受熱面的混凝土結構溫度也達到了65.70 ℃。沉管隧道鋼殼混凝土結構的溫度與受火面的距離相關，距離受火面越遠，溫度越低。混凝土是導熱性較差的材料，同時隨著溫度的升高導熱系數有下降的趨勢，這意味著當混凝土表面的溫度升高到一定程度時候，熱量向混凝土內部的傳遞變得更加緩慢；而鋼材的導熱性能較好，并且隨著溫度的升高導熱系數有上升的趨勢，鋼結構會出現較大的溫度差，導致混凝土與橫縱隔板以及T型肋的接觸處混凝土溫度出現波浪狀的起伏。為分析在無防火板情況下鋼殼結構與混凝土結構的溫度分布規律，選擇反映混凝土內部溫度規律的路徑A與反映混凝土與鋼板接觸處溫度規律的路徑B，分析在有無防火板的各火災工況下鋼殼結構與混凝土結構的溫度分布規律，如圖3所示。

3.1 不同火災情景下沉管結構溫度分布

圖4為50 MW火災工況下120 min時有無防火板情景的混凝土溫度云圖。

從圖4可看出，在由橫縱隔板圍成的格室內，溫度分布有兩邊高中間低的趨勢；同時，在中間低的趨勢下，又有T型肋附近溫度高的小趨勢。同一深度下，隔板處溫度gt;T型肋處溫度gt;混凝土處溫度，T型肋處出現溫度聚集現象。

不同火災情景下鋼殼及混凝土最高溫見表2。

根據GB 50016-2014《建筑設計防火規范》，20 MW無防火板情況下，由于混凝土溫度高于380 ℃，判定為達到耐火極限；而有防火板的條件下，6種工況的隧道火災中，鋼殼與混凝土均未達到耐火極限，均為安全。

3.2 各火災情景下不同深度處溫度與時間關系

選取混凝土結構的路徑A、B進行分析。不同火災情景下，路徑A上溫度隨時間的關系如圖5所示。

對比圖5中火災溫度變化可以看出，同一路徑上相同深度處的溫度隨著峰值熱釋放率的增加而依次變大。同時，各火災情景下均存在距離鋼結構接觸面0～50 mm范圍內溫度快速升高的現象，且各工況溫度差異明顯，而無防火板情況下，該范圍內混凝土升溫曲線幅值與隧道頂部熱空氣升溫曲線幅值相近。各火災情景下均有如下規律：距離鋼結構接觸面50～100 mm范圍內，火災開始后20～40 min，結構溫度開始升高，且火災過程中均勻上升；距離鋼結構接觸面100～200 mm范圍內，火災開始后60～100 min，結構溫度才明顯升高，重型貨車50 MW火災下溫度相對更高一些；距離鋼結構接觸面200 mm以上范圍內溫度變化幅度更小，特別是在小汽車火災5 MW和10 MW、輕型車輛15 MW以及巴士20 MW火災情況下，溫度幾乎不變。

不同火災情景下，路徑B上溫度隨時間的曲線如圖6所示。

對比圖6中火災溫度變化可以看出，與路徑A相同，同一路徑相同深度處的溫度隨著峰值熱釋放率的增加而依次變大。同時，還可以看出，各種升溫曲線均有如下規律：距離鋼結構接觸面0～100 mm范圍內，溫度升高速度快，且各工況下溫度差異明顯；距離鋼結構接觸面100～300 mm范圍內，火災開始后20～40 min，結構溫度開始升高，且火災過程中均勻上升；距離鋼結構接觸面300～500 mm范圍內，火災開始后60～100 min，結構溫度才明顯升高；距離受火表面500～600 mm以后范圍內溫度變化幅度更小，距離鋼結構接觸面600 mm以后范圍內溫度變化幅度極小。

同一路徑相同深度處的溫度，隨著峰值熱釋放率的增加而依次變大。鋼殼厚度為30 mm時，由路徑A上溫度與時間關系發現，有無防火板情況下，受溫度影響較大的區域主要是距離受火表面80 mm內的區域，而路徑B在有無防火板情況下下，受溫度影響較大的區域主要是距離受火表面230 mm內的地方。

3.3 不同火災工況下防火板對溫度場的影響

火災開始120 min后，有無防火板情況時，路徑A與路徑B不同火災工況下的溫度與截面深度的關系如圖7所示。

路徑A可反映混凝土內部溫度傳遞情況。在無防火板情況：5～50 MW火災工況時，大于50 ℃的深度分別約為75，125，145，155，190 mm和220 mm處；大于100 ℃的深度分別約為0，55，85，100，125 mm和150 mm處。在有防火板情況下：5 MW火災工況，各深度處溫度均未達到50 ℃，10～50 MW火災工況，大于50 ℃的深度分別為20，40，50，75 mm和100 mm；5～30 MW火災工況下，各深度處溫度均未達到100 ℃；50 MW火災工況下，大于100 ℃的深度為35 mm。

路徑B可反映混凝土與鋼殼接觸面溫度傳遞情況。在無防火板情況：5～50 MW火災工況時，大于50 ℃的深度分別約為130，240，300，345，400 mm和460 mm；5 MW火災工況下，各深度處溫度均未達到100 ℃；10～50 MW火災工況，大于100 ℃的深度分別約為90，150，200，260 mm和340 mm。在有防火板情況下：5～10 MW火災工況，各深度處溫度均未達到50 ℃；15～50 MW火災工況，大于50 ℃的深度分別為40，75，125 mm和180 mm；5～30 MW火災工況下，各深度處溫度均未達到100 ℃；50 MW火災工況下，大于100 ℃的深度為20 mm。

對于路徑A，防火板有效地將5～30 MW火災工況的混凝土溫度控制在100 ℃以下，對于50 MW火災工況，將無防火板時溫度高于100 ℃的深度從150 mm控制至35 mm。對于路徑B，防火板同樣有效地將5～30 MW火災工況的混凝土與鋼殼接觸區的溫度控制在100 ℃以下，對于50 MW火災工況，更是將無防火板時溫度高于100 ℃的深度從340 mm控制至20 mm，有效地降低混凝土與鋼殼的溫度，這將有效控制由熱膨脹引起的混凝土熱應力。

4 結 論

本文在分析不同火災工況的基礎上，建立了鋼殼混凝土沉管隧道在高溫下的三維數值計算模型，并對不同火災工況下的管節結構內的溫度分布進行了數值模擬計算，所得結論如下：

（1） 無防火板情況下，發生20 MW巴士火災及更嚴重火災工況時，混凝土會達到建筑設計防火規范的耐火極限；而在有防火板的條件下，在6種工況的隧道火災中，鋼殼與混凝土均未達到耐火極限，均為安全。

（2） 同一溫度傳遞路徑上相同厚度處的溫度，隨著峰值熱釋放率的增加而依次變大。混凝土內部受溫度影響較大的區域主要是距離受火表面50 mm內的地方；而對于橫縱隔板與混凝土接觸面，受溫度影響較大的區域主要是距離受火表面200 mm內的地方。

（3） 對于混凝土內部及橫縱隔板與混凝土接觸面，防火板均有效將混凝土溫度高于50 ℃及100 ℃的區域控制在一定范圍內，這將有效降低隧道火災時混凝土因熱膨脹而產生的熱應力。

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（編輯：鄭 毅）

Study on heat transfer in steel-concrete-steel sandwich composite structure under different fire scenarios

CHENG Zhiyao1，2，XU Guoping3，YANG Fujian1，2，HU Dawei1，2，ZHOU Hui1，2

（1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.China Communications Construction Cooperation Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

Abstract：

The steel-concrete-steel（SCS） sandwich composite structure is an important structural design for an immersed tube tunnel.Studies on the heat transfer in this composite structure under different fire scenarios are of important significance for the fire risk evaluation of a sandwich-structured immersed tube tunnel during the operation period.Taking the types of vehicles involved in the fire in the tunnel as classification standard，a total of 12 tunnel fire scenarios are designed，including different vehicles such as cars，light vehicles，buses，and heavy trucks.A three-dimensional（3D） finite element numerical simulation model is established for the SCS sandwich-structured immersed tunnel to simulate the heat transfer in the structure with or without fireboard in the fire scenarios.The results show that in the SCS structure，when tunnel fire of burning buses or other more serious fires occur without the fireproof panel，the temperature of concrete will reach the limitation for fire safety set by the Code of Practice for Fire Safety in Buildings，while when the fireproof panels are equipped，the temperature field of the structure is within safe limits in all fire conditions.The results can provide reference of design of SCS immersed tunnels.

Key words：

immersed tube tunnel；steel-concrete-steel sandwich composite structure；tunnel fire scenarios；heat transfer