高温隧洞支护结构冷却降温后温度应力的数值模拟研究.pdf

桥隧工程高温隧洞支护结构冷却降温后温度应力的数值模拟研究马超豪1.5,梁艳,宿辉,汪涛4（1.河北省公路安全感知与监测重点实验室，河北石家庄0 6 110 2;2.河北交通职业技术学院，河北石家庄050035;3.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸0 56 0 3 8;4.河北省交通规划设计研究院有限公司，河北石家庄0 50 0 11;5.河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司，河北石家庄0 50 0 90)摘要：针对实际工程中高温支护结构冷却降温后的结构粘结强度问题，文章通过有限元软件ANSYS模拟冷却降温过程，深入研究温度应力的变化规律。分析得出：高温隧洞支护结构冷却降温时混凝土与岩石交界处温度梯度先增加后降低，直至达到基本稳定状态后温度梯度值不再改变；6 0、7 5和90 工况对应的温度梯度最大值分别为735.3m-1、90 6.9m1和10 2 9.4m=1；高温隧洞支护结构冷却降温时混凝土与岩石交界处温度应力先急剧增加，随后缓慢降低至稳定值,6 0、7 5和9 0 工况对应的温度应力最大值分别为0.2 6 8 MPa、0.3 0 1MP a 和0.273MPa；相对于6 0 和9 0 工况，7 5工况的粘结强度损失值最大，且最大温度应力值和稳定状态温度应力值均为三个工况中最大；温度应力与温度梯度成正相关关系，温度应力随着温度梯度的变化先后经历应力急变、应力缓变和应力平稳三个阶段。关键词：高温隧洞；降温冷却；温度应力；数值模拟中图分类号：U455.7文献标识码：ADOl：10.13 2 8 2/j.c n k i.Wc c s t.2 0 2 3.0 8.0 42文章编号：16 7 3-48 7 4(2 0 2 3)0 8-0 13 3-0 20引言1数值模拟我国西部地区基础设施建设日新月异，由于水利和交通等基础设施建设的需求，经常需要进行深埋隧洞的施工。我国许多地区都蕴藏着地热资源，而西部地区的地热资源尤为丰富，地热作为一种清洁能源越来越受到了人们的重视，但在地热区深部进行工程建设时，地热却会对施工带来严重的影响，即工程建设中的高地温问题。这些在深埋隧洞中遇到的高地温问题，不仅给正常施工带来严重影响，而且在隧洞的后期安全运行中也存在一定的隐患。对于存在高地温问题的隧洞，当隧洞竣工后运营时，低温水流或冷空气会在极短时间内引起混凝土支护结构的温度骤降，在结构内形成较大的温度梯度，由此引发的温度应力极可能对衬砌支护结构造成损伤，极大地影响隧洞的安全运行。对于高温混凝土的相关问题，许多学者开展了大量的研究：谢玲儿1对高温混凝土水冷却后混凝土强度变化规律进行了试验研究；唐阳 2 对高地温隧洞喷射混凝土与围岩粘结强度的微观破坏机理进行了研究；石明宇 3 对高地温隧洞支护混凝土冷水降温的温度变化规律进行了数值模拟分析。但高温支护整体结构冷却降温的温度应力相关研究还较少。本文以实际工程隧洞的高地温问题为基础，通过数值模拟并结合实际试验数据，对高温支护结构冷水降温的温度应力进行研究。采用ANSYS有限元分析软件对高温隧洞支护结构冷却降温过程进行瞬态传热模拟计算，分析研究降温过程中的温度场与应力场。1.1建立模型及边界条件设定数值模拟采用二维模型，尺寸根据高温支护结构模型的实际尺寸设定。岩层底部设定为加热边界，混凝土表层为热对流界面并加约束，混凝土层和岩石层侧面边界绝热。图1为模型示意图。Y表层混凝土中层混凝土底层混凝土岩石40图1模型示意图（cm)1.2材料参数及初始条件模型中涉及的混凝土和岩石的热力学参数及物理力学参数如下页表1所示。2X作者简介：马超豪（198 9一），工程师，主要从事隧道工程检测与监测及数值模拟研究工作。2023年第8 期总第19 3 期13 3桥隧工程表1混凝土与岩石热力学参数及物理力学参数表材料参数岩石密度(kg/m3)2 500弹性模量(GPa)30泊松比0.2导热系数(J/msK)1.74热膨胀系数(-1)10e-6比热容(kJ/kgK)0.84模型中混凝土层和岩石层初始温度条件如表2所示。表2 混凝土与岩石各部分初始温度值表温度工况表层温度（）中层温度（）底层温度（）岩板（）6047.77556.19058.11.3模型验证通过与90 工况下实际冷却降温数据对比发现，模拟温度数据与实际试验数据的变化趋势一致，且基本稳定后的混凝土各层温度与实际试验数据基本一致，相对误差较小。因此，此模型较为可靠，可以以其为基础进行高温隧洞支护结构冷却降温温度应力的研究。温度结果对比如图2 所示。100r90807060504030202模拟结果与分析以模型对称中心混凝土与岩石交界处（以下简称中心交界处)的温度与应力数据进行结果分析。2.1温度模拟结果如图3 所示，不同温度工况下高温隧洞支护结构中心交界面处的温度变化趋势一致：随着降温时间的增加，温度逐渐减小，且温度变化率逐渐减小直至为0，温度基本不再变化，隧洞支护结构温度场达到稳定状态。整体温度变化趋势和混凝土表中底三层的温度变化趋势一致。在冷却降温初始阶段，隧洞支护结构混凝土与岩石交界面处受到岩石底部加热作用和混凝土表层冷却降温作用的双重影响，结构内部热传递剧烈，最开始温度变化率存在较大振荡，随着降温时间增加，热对流和热传导材料名称相互之间的影响作用逐渐趋于稳定，温度变化率逐渐降混凝土至0。2 690（2）0.3521.530.30.250.230.20.152.30.10.054.61e-60.854.557.963.773.367.689.1一模拟表层一量模拟中层一模拟底层一一试验表层一*一试验中层一一试验底层6260工况75工况90工况时间（min）图3 中心交界处温度变化率曲线图如图4所示，不同温度工况下高温隧洞支护结构中心交界处Y方向温度梯度变化趋势一致：随降温时间的增加，温度梯度先增加后降低。温度梯度与温度工况成正相关，6 0、7 5和9 0 工况对应的Y方向温度梯度最大值分别为7 3 5.3 m-1、9 0 6.9 m-160.2和1 0 2 9.4 m-1。75.51200r90.410008006004002002.2应力模拟结果如图5所示，不同温度工况下高温隧洞支护结构中心交界处Y方向温度应力随时间变化趋势一致：随降温时间的增加，温度应力先急剧增加，在8 0 min左右达到最大值，随后逐渐减小直至基本稳定。6 0、7 5和90 工况对应的Y方向温度应力最大值分别为0.2 6 8 MPa、0.301MPa和0.2 7 3 MPa。支护结构整体温度趋于稳定后，混凝土与岩石交界处依然存在着一定的温度应力。时间（min）0.3.5图2 温度数据对比图0.30.250.20.150.10.050080160240320400480560640720800时间（min）图5温温度应力时程曲线图2.3试验结果分析实际高温支护结构冷却降温试验中的试件中心处的情况与数值模拟设定条件最相符，因此选取不同工况下的2#芯样的实际试验数据结果 4-5。如后页表3 所示，冷水降温后的高温隧洞支护结构混凝土与岩石的粘结强度均有所损失，7 5工况的粘结强度损失最大，降低了 0.2 3 2 1 MPa。60工况75C工况90工况时间（min）图4中心交界处温度梯度曲线图+60工况+75工况+90工况880960104011201200(下转第150 页）134西部交通科技WwemiemncainsCommunications Science&Technology桥隧工程动非线性分析J.应用力学学报，2 0 0 8,2 5（3）：5 2 4-5 2 8.5王贵春，陈卫丽.基于车桥耦合振动的大跨度斜拉桥冲击系数研究J.公路工程，2 0 15(6)：119-12 4.6李武生，王贵春，陈卫丽，等.大跨度公路斜拉桥车桥耦合振动竖向响应分析J.郑州大学学报（理学版），2 0 13,4 5(2):115-120.7欧阳光，谈博升.大跨度斜拉桥车桥耦合振动分析J.中外公路,2 0 13,33(4):18 2-18 7.8Gao Y,Zhang H,Jiang B.Analysis on the vehicle-bridgecoupled vibrations of long-span cable-stayed bridgebased on multiscale modelJ.Journal of Vibroengineering,2015,17(1):402-410.9谢旭,朱越峰，申永刚.大跨度钢索和CFRP索斜拉桥车桥耦合振动研究J.工程力学，2 0 0 7,2 4(z1)：5 3-6 1.10 万信华，胡晓燕，郝行舟，等非平整桥面引起大跨斜拉+桥车桥耦合振动响应研究J.振动与冲击，2 0 0 7，2 6(2):66-71.11李江龙，李岩，盛洪飞，等.基于车桥耦合振动分析的斜拉桥行车舒适性评价分析J.科学技术与工程，2009,9(7):1 792 1 796.12 王凌波，马印平，蒋培文，等.不同体系斜拉桥车桥耦合共振效应研究J.合肥工业大学学报（自然科学版），2015(10):1 369-1 373.13Zhang M J,Li Y L,Wang B.Effects of fundamental factors oncoupled vibration of wind-rail vehicle-bridge system forlong-span cable-stayed bridgeJ.Journal of CentralSouth University,2016,23(5):1 264-1 272.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 2+(上接第134 页）表3冷水降温前后拉拔试验结果对比表冷水降温前冷水降温后温度工况粘结强度(MPa)601.355 8751.1639900.652 32.4温度与应力结果分析虽然降温过程中的温度应力并不是特别大，但是在高温支护结构冷却降温的过程中，混凝土与岩体交界面处的空洞与裂隙持续受到温度应力的影响，使得原本存在的裂缝更加发展，并且空洞周边产生应力集中，使得粘结面的结构相比原来更加松散，从而导致粘结强度的降低。7 5 工况下的温度应力最大值最大，且不同工况下相同冷却时间时7 5 工况温度应力值最大，对混凝土与岩石粘结处的结构影响作用最大，使得粘结强度损失最大，与实际冷却降温试验结果相符。对比温度与应力结果数据可以发现：温度应力与温度梯度值随着降温时间的增加，变化趋势基本一致，两者存在正相关关系。温度应力随着温度梯度的变化先后经历应力急变、应力缓变和应力平稳三个阶段。3结语(1)高温隧洞支护结构冷却降温时混凝土与岩石交界处温度梯度先增加后降低，直至达到基本稳定状态后温度梯度值不再改变。6 0、7 5 和90 工况对应的温度梯度最大值分别为7 35.3m1、9 0 6.9 m-1和10 2 9.4 m1。(2)高温隧洞支护结构冷却降温时混凝土与岩石交界处温度应力先急剧增加，随后缓慢降低至稳定值。60、7 5 和90 工况对应的温度应力最大值分别为粘结强度0.268 MPa、0.30 1 MP a 和 0.2 7 3 MPa。粘结强度(MPa)差值(MPa)1.210 80.145 00.931 80.232 10.550 00.102 3(3)60、7 5 和9 0 工况中,7 5 工况的粘结强度损失值最大，且最大温度应力值和稳定状态温度应力值均为三个工况中最大。(4)温度应力与温度梯度成正相关关系，温度应力随着温度梯度的变化先后经历应力急变、应力缓变和应力平稳三个阶段。参考文献1谢玲儿，卢文良，郑强，等.高温后水冷却条件下混凝土强度变化试验研究J.兰州交通大学学报，2 0 17,36(6)：101-105.2唐阳，宿辉,张宏,等.高地温隧洞喷混凝土一围岩粘结强度及微观破坏机理J.水电能源科学,2 0 15,33(4):127 129,63.3石明宇，马超豪，宿辉，等.高地温引水隧洞支护混凝土过水试验及数值模拟研究J.科学技术与工程，2 0 16，16(33):302 306.4宿辉,汪健，李向辉，等.不同温度下的喷射混凝土粘结强度实验及数值模拟研究J.科学技术与工程，2 0 14，14(36):231-233,193.5宿辉，李向辉，汪健.高地温隧洞喷射混凝土粘结强度及其有限元分析J.水利水电技术，2 0 16,4 7（1)：54 57.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 8150西部交通科技wemiemncainsCommunications Science&Technology