【摘要】：本文以北京地區(qū)33條運營熱力管線隧道工程為依托,考慮熱力隧道內(nèi)獨有的管道大推力-熱效應(yīng)耦合環(huán)境,以三維數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的方式研究了運營期耦合作用下熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng);然后通過大量現(xiàn)狀檢測和調(diào)查,結(jié)合襯砌混凝土的微觀結(jié)構(gòu)掃描與元素組成分析,分析了北京熱力隧道結(jié)構(gòu)的病害表現(xiàn)及其侵蝕劣化的主要類型,并對現(xiàn)狀熱力隧道結(jié)構(gòu)的安全可靠度進行了評判;在現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上,分別以宏觀加速劣化試驗和細觀數(shù)值模擬的方式進行了熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)碳化侵蝕機制的試驗與研究;在銹脹開裂方面,通過理論推導(dǎo)和細觀模擬展開了襯砌銹脹開裂機制的宏、細觀分析;最后,以損傷劣化研究結(jié)果為基礎(chǔ),進行了熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)維修壽命預(yù)警方法研究。主要研究內(nèi)容及成果歸納如下:(1)熱力隧道內(nèi)大推力-熱效應(yīng)耦合作用機制研究通過運營熱力隧道的工作特征,確立了管道大推力-熱效應(yīng)耦合分析的原理和基本假定,根據(jù)室內(nèi)試驗所獲力學(xué)參數(shù),建立了三維數(shù)值模型,對比現(xiàn)場原位監(jiān)測結(jié)果,可發(fā)現(xiàn):距固定支架越遠,耦合效應(yīng)影響越小,且對底板影響最大、拱頂次之、邊墻最小;6m范圍內(nèi)的隧道底板受影響較為顯著,與支架距離達到12m的斷面,其縱向應(yīng)變變化已衰減至5.5με以內(nèi),環(huán)向應(yīng)變3με內(nèi)。對遠離固定支架的襯砌結(jié)構(gòu)而言,耦合效應(yīng)的影響主要以單一溫度場對隧道襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力應(yīng)變的形式體現(xiàn)。(2)熱力隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查與侵蝕劣化類型的微觀判定對遍布北京市區(qū)的33條熱力隧道進行了歷時近2年的系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查,統(tǒng)計分析了北京運營熱力隧道的現(xiàn)狀特征。結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果表明:固定支架6m范圍內(nèi)出現(xiàn)裂縫數(shù)量占裂縫總量的50%左右,其中一半分布在底板上,這也證實了耦合作用分析得出的固定支架附近的隧道底板為薄弱部位的觀點。環(huán)境條件檢測表明:熱力隧道內(nèi)400C～600C范圍波動,CO2濃度均值為1200ppm;形成了高溫、高二氧化碳濃度的內(nèi)部環(huán)境,加上外部圍巖及地下水環(huán)境的侵蝕性一般較弱,據(jù)此初步判斷碳化侵蝕為北京熱力隧道的典型侵蝕類型;結(jié)合對襯砌混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與元素(ESEM-EDS)的分析,進一步明確了北京熱力隧道襯砌的主要侵蝕類型為碳化侵蝕型,從而確立了混凝土碳化侵蝕及其引發(fā)的鋼筋銹脹致保護層開裂的過程為熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷劣化的主要研究對象。(3)現(xiàn)狀熱力隧道結(jié)構(gòu)安全可靠度分析評價根據(jù)運營期多場耦合作用下熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),通過引入華-王點集對一般子集模擬法進行了改進,在精度和效率方面對現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)安全可靠度計算進行了改良。研究結(jié)果表明:車公莊西延線熱力隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀可靠度總體滿足工程可靠指標控制要求;計算方法方面,改進方法所得結(jié)果的擬合曲線斜率和相關(guān)性系數(shù)均達到0.98,且時效比最高可達158.8,說明改進方法在熱力隧道安全可靠度分析評價中的準確性和高效性較為顯著。(4)熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)碳化侵蝕機制跨尺度研究在現(xiàn)狀安全可靠指標達到承載要求的前提下,針對熱力隧道襯砌碳化侵蝕的特點,在宏觀層面,考慮熱力隧道的溫度-應(yīng)力耦合效應(yīng),通過大量室內(nèi)加速碳化試驗,探究了不同溫度-應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的碳化深度分布規(guī)律,給出了K7(溫度)、K8(應(yīng)力)修正系數(shù)取值表,通過擬合修正龔洛書模型得到了耦合作用的碳化侵蝕模型,工程應(yīng)用證明了該預(yù)測模型能反映北京熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)的碳化深度分布規(guī)律;從細觀尺度剖析了碳化作用機理,采用有限差分法,結(jié)合隨機圓形骨料和多邊形骨料細觀模型,給出了獲取碳化侵蝕時空分布的數(shù)值方法,在細觀尺度上研究了骨料位置、含量、形狀等因素對混凝土碳化侵蝕的影響,研究結(jié)果表明:隨機多邊形骨料模型在碳化侵蝕細觀分析中誤差較圓形骨料模型更小;骨料含量的提高對混凝土的抗碳化侵蝕能力有促進作用;骨料位置分布可對混凝土碳化產(chǎn)生巨大的影響,骨料可將原本筆直的碳化鋒面扭曲,且導(dǎo)致碳化深度均值落后于最大鋒面4mm～6mm之間。最后,細觀分析的合理性得到了宏觀加速試驗的驗證。(5)熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)銹脹開裂機制宏細觀研究混凝土碳化深度達到保護層厚度后,鋼筋開始銹蝕。結(jié)合彈塑性損傷力學(xué)理論,建立了襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻銹脹彈塑性損傷開裂理論模型,推導(dǎo)了宏觀尺度銹脹開裂過程的解析公式,對比其他學(xué)者的試驗結(jié)果,提出理論模型的合理性得到了有效證明;依據(jù)鋼筋銹蝕機理,結(jié)合熱力隧道襯砌的銹蝕電流密度條件,建立了銹脹開裂細觀分析模型,研究了20年銹蝕期內(nèi),襯砌混凝土試件的銹脹拉裂區(qū)的分布、發(fā)展以及保護層的形變規(guī)律,發(fā)現(xiàn)不均勻銹蝕對鋼筋混凝土襯砌的影響比均勻銹蝕嚴重的多。根據(jù)細觀分析結(jié)果,對鋼筋保護層厚度設(shè)計提出了最小保護層厚度1.5d的建議值;在鋼筋間距與保護層厚度合理的前提下,熱力隧道襯砌結(jié)構(gòu)的銹蝕壽命一般可維持在15年～20年之間。最后,通過宏、細觀銹脹分析結(jié)果的對比,發(fā)現(xiàn)推導(dǎo)的宏觀銹蝕模型在鋼筋間距w=150mm時,偏差較小為15.3%,w=60mm時理論模型的應(yīng)用誤差達到42.7%,說明了本文提出的銹蝕理論模型對熱力襯砌結(jié)構(gòu)的臨界銹蝕深度預(yù)測有間距的適用條件。(6)基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移方法的熱力隧道維修預(yù)警壽命研究考慮到結(jié)構(gòu)自然壽命模型理論性過強、參數(shù)復(fù)雜繁多、實操性弱的問題,以損傷劣化的宏、細觀作用機制為基礎(chǔ),提出了自然壽命模型的簡化模型——維修預(yù)警壽命模型,采用基于Bayes修正的Markov鏈預(yù)測維修預(yù)警壽命,且定義了能反映在役隧道性能的平均狀態(tài)指標(Average State Index,ASI)。研究表明:華能線隧道服役47年時(2043年),ASI=3.0,結(jié)構(gòu)狀態(tài)達到維修預(yù)警。該線隧道的設(shè)計基準期為50年,需提前進行維修準備工作。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU995
【圖文】：

圖１－２研究總技術(shù)路線圖逡?

團溝通進行前期調(diào)查選點工作而后收集相關(guān)供熱線路的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計、竣工圖紙逡逑及文字資料。逡逑完成前期準備工作后，參照圖１－２的研究總技術(shù)路線，一方面對選定工點進行逡逑大面積的現(xiàn)場調(diào)查與檢測試驗，包括：襯砌外觀調(diào)查、滲漏、水質(zhì)分析、碳化深逡逑度測量、混凝土強度測試、溫濕度量測、鋼筋分布、鋼筋銹蝕情況、裂縫尺寸分逡逑布和狀態(tài)等。室內(nèi)試驗方面，對采集回的現(xiàn)場試樣進行微細觀掃描分析，包括ＥＳＥＭ逡逑電鏡掃描，ＥＤＳ能譜分析，綜合環(huán)境調(diào)查與分析結(jié)果可確定熱力地下結(jié)構(gòu)的侵蝕逡逑劣化類型，針對特定的劣化類型，如混凝土碳化，可展開碳化試驗考慮應(yīng)力－溫度逡逑的影響，而后進行的混凝土、銹蝕鋼筋力學(xué)試驗也可為數(shù)值模擬提供準確的力學(xué)逡逑參數(shù)，以下圖１－３為室內(nèi)試驗的細部流程，為課題研宄的可行性做技術(shù)支撐。逡逑混凝土微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡及元素分析逡逑（ＥＳＥＭ－ＥＤＳ邋分析）邐邐逡逑——＾邐１邐剖面碳化深度測試逡逑邐邋＃對比丨＂％邐，邐ｂ＝＝ｄ逡逑加速碳化試驗奪、應(yīng)力ｉ｜混凝土對照組邐原位混凝土試件ＩＩ邐ｖ單軸抗壓強度測試逡逑！邐合邐—邐－合邐—丨邋劈裂抗拉測試逡逑Ｉ邐｜！邐ＶＩ逡逑ｊ邋澆筑同標號混凝土邐采集現(xiàn)狀襯砌構(gòu)件｜逡逑�。哌娺娺娺姡掬摻羁估瓘姸葴y試逡逑銹蝕鋼筋試件邐逡逑邐＾有效截面積逡逑ＶＩ邐邐逡逑圖１－３室內(nèi)試驗流程逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｆｌｏｗ邋Ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋Ｔｅｓｔ逡逑另一方面

２熱力隧道內(nèi)大推力－熱效應(yīng)耦合作用機制研究逡逑２．１引言逡逑含固定支架的熱力隧道斷面如圖２－１所示，通過運營熱力隧道的工作特征確立逡逑了管道大推力－熱效應(yīng)耦合分析的原理和基本假定，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，以車公莊逡逑西延線熱力隧道為背景建立了耦合分析模型，對比現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分析了熱力隧逡逑道內(nèi)大推力－熱效應(yīng)耦合作用機制。邐逡逑0！邋0逡逑�。颍蓿矗檫姡慑澹颍�！逡逑圖２－１熱力隧道含支架斷面示意圖逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｔｈｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋Ｃｒｏｓｓ邋Ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ邋ｆｉｘｅｄ邋ｂｒａｃｋｅｔｓ邋ｉｎ邋Ｈｅａｔ－Ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ邋Ｔｕｎｎｅｌｓ逡逑本章研究技術(shù)路線如圖２－２所示。逡逑■邐三維數(shù)值模擬逡逑＾邐（邋、逡逑＾邋１邐＼邋Ｃ邐＼熱力隧道內(nèi)大推力－熱效應(yīng)耦合逡逑作用機制逡逑支架應(yīng)變ｊ邐＼逡逑－邐現(xiàn)場監(jiān)測逡逑Ｖ邐）逡逑圖２－２第二章研宄技術(shù)路線逡

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本文編號：2794828