考虑接触热阻的钢壳沉管隧道结构火灾温度场研究

来源：中国血液净化杂志2023年第11期北京时间：

作者：吴梦军, 吴庆良, 金文良, 胡学兵, 曹鹏

单位：1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067;2. 公路隧道国家工程研究中心, 重庆 400067;3. 隧道建设与养护技术交通行业重点实验室, 重庆 400067;4. 西南大学 工程技术学院, 重庆 400715;5. 深中通道管理中心, 广东 中山 528400"],"fundList_en":["National Key Research and Development Program (2018YFC0809600, 2018YFC0809603)

摘要：钢壳沉管隧道在火灾高温下易出现强度退化、结构承载性能下降甚至失稳破坏等情况，因此有必要开展火灾高温下钢壳沉管隧道结构温度场分布规律等基础研究。以国家重大工程“深中通道海底沉管隧道工程”为依托开展了系统研究。首先推导了火灾高温下钢壳混凝土结构瞬态温度场求解简化解析公式，然后在管节结构局部全尺寸火灾试验的基础上，拟合了工程尺度下钢壳-混凝土界面接触热阻值，并通过建立具有等效薄层结构的数值模型验证了理论求解的正确性，最后基于解析方法进行了温度场的计算与分析。综合3种方法分析得出以下结论：①基于理论解析公式对火灾试验结果的拟合，分析得到钢壳-混凝土界面接触热阻近似值为0.01 m²·K·W^-1；通过具有等效薄层结构的数值模拟结果与理论解析解的拟合分析，得到等效薄层结构的密度、比热容和导热系数分别为1.29 kg·m^-3、1 005 J·（kg·K）^-1和0.1 W·（m·K）^-1。②通过理论解析方法，对火灾温度场进行了分析，分析结论与数值模拟、模型试验结果基本一致；火灾高温对钢壳-混凝土结构的影响深度主要在400 mm左右，400 mm以后结构温度增加不大。③由于钢壳和混凝土2种材料的导热性能不同，以及两者之间的界面接触热阻效应，致使钢壳与混凝土交界面处在火灾曲线的不同阶段出现温度突减和突增现象，并且整个管壁结构温度场在升温、恒温阶段及降温阶段前期出现“外高内低”现象，在降温阶段后期出现“外低内高”现象。提出的温度场分布规律为依托工程设计提供了依据；提出的界面接触热阻值确定及其等效模拟方法，可为类似工程计算分析提供参考借鉴。

关键词：隧道工程,钢壳混凝土,简化解析解,火灾试验,数值模拟,接触热阻

基金资助：国家重点研发计划项目（2018YFC0809600，2018YFC0809603）