CN104462835B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及火灾下衬砌安全性评估装置及计算方法,特别适用于不同火灾场景下隧道不同里程不同部位的衬砌安全评估。
背景技术
目前我国修建的隧道座数和总里程数均居世界第一,一大批隧道投入运营。而运营阶段的安全管理最大的问题则是火灾下的安全管理。自20世纪90年代以来,由于交通隧道的迅速发展,行车速度和密度的加大,车辆在隧道中的故障及相互撞击、货物的点燃和自燃、恐怖主义、纵火等原因,不论是公路隧道还是铁路隧道都发生数起重大火灾事故,如国外1996年的英国-法国的Channel Tunnel(铁路隧道)的火灾,1999年的法国-意大利的Mont Blanc(公路隧道)火灾,2001年瑞士的Gotthard(公路隧道)火灾;我国的1993年西延线蔺家川隧道铁路隧道火灾,2002年的浙江猫狸岭公路隧道火灾。隧道火灾除了造成人员伤亡、巨大的经济损失和不良的社会影响外,还对运营设备、隧道衬砌造成严重的破坏。
衬砌在火灾下会受到不同程度的损伤,如果损伤过大,安全性不满足,则会发生坍塌;另外衬砌损伤后,如何根据其损伤程度,制定不同的治理措施也是急需解决的问题。目前研究的主要集中在衬砌试块在火灾下受力性能研究,未考虑火灾在隧道受限空间内传播的特性。因此,如何根据隧道空间内火灾场景特点,分析隧道衬砌在不同里程不同部位的受热特点,进而分析不同里程、不同部位衬砌的安全性,从而为有针对性的衬砌修复加固提供理论依据,是急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题,本发明的目的是提供一种能够根据隧道空间内火灾场景特点,分析隧道衬砌在不同里程不同部位的受热特点,进而分析不同里程、不同部位衬砌的安全性,为衬砌修复加固提供理论依据的隧道衬砌安全性评估装置,及使用该装置进行计算的方法。
本发明的一种基于火灾场景的隧道衬砌安全性评估装置,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;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、衬砌安全性计算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。
一种采用上所述装置进行评估的方法,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
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
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
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
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
式中:R为气体常数;Ml为组分气体的质量分数,g/mol;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:
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);
进一步对方程进行化简:
对整个区域进行积分,得到参考压力方程:
定义
动量方程的最终求解形式为:
(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。
本发明具有以下优点: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装置及计算方法;利用该方法可以方便判断隧道不同里程、衬砌不同部位的安全系数是多少,从而采取不同的治理加固措施,为隧道火灾后衬砌修复提供理论依据。
附图说明
图1为本发明装置的结构框图;
图2为隧道火灾发展曲线图;
图3为隧道横断面不同部位的受热情况分布图;
图4为隧道围岩压力计算示意图;
图5为衬砌结构计算示意图;
图6为等效节点荷载计算示意图;
图7为局部坐标系下节点位移与节点力关系示意图;
图8为局部与整体坐标系转换示意图;
图9为直刚法程序计算原理图;
图10为钢筋混凝土大偏心受压构件截面安全系数的计算示意图;
图11为钢筋混凝土小偏心受压构件截面安全系数的计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置及计算方法作进一步的说明。
如图1所示,为本发明的装置结构框图,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、衬砌安全性计算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。
本发明可以根据不同火灾场景,方便判断隧道不同里程、衬砌不同部位的安全系数是多少,从而采取不同的治理加固措施,为隧道火灾后衬砌修复提供理论依据。
实际使用过程如下:
第一步:隧道基础数据模块。收集相关资料,包括隧道的位置、隧道长度、隧道跨度、断面大小、坡度、隧道内装修情况、交通量情况、通风情况、衬砌支护情况、围岩条件、地质条件、气候条件等。
第二步: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,包括不同火灾位置、不同火灾规模、不同通风方式等。
其中火灾仿真的基本控制方程组分别为:
a.质量守恒方程
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
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
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
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
式中,R为气体常数;Ml为组分气体的质量分数,g/mol;M为组分气体的平均质量分数,g/mol。
通过耦合质量守恒方程、能量方程和状态方程等,可以得到速度的散度方程为:
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)。
进一步对方程进行化简:
对整个区域进行积分,得到参考压力方程:
定义
经过推导,动量方程的最终求解形式为:
在仿真计算时,采用时间平方增长-稳定火模拟隧道内车辆燃烧的热释放速率曲线(见图2所示)。
式中:为火源的热释放速率(KW);a为火灾发展系数(KW/s2);t为火灾的发展时间(s)。
第三步:衬砌火灾特性模块。根据第二步的仿真情况,得到隧道不同里程、不同部位的受热情况(见图3所示)。结合衬砌材料在火灾下的力学特性,获得不同部位的力学性能。
(1)衬砌混凝土火灾损伤见表1-表4。
表1 衬砌混凝土试件烧损前后弹性模量对比试验结果
表2 试块垂直受火面加压时的抗压强度试验统计表(单位:MPa)
表3 混凝土试块抗拉强度试验统计表(单位:MPa)
表4 混凝土烧伤形态与程度的实验结果综合表
(2)衬砌中钢筋的火灾损伤
对于I~IV级钢筋:
对于V级钢筋:
式中:fy为常温下,钢筋的屈服强度;fyT为高温T时,钢筋的屈服强度;Ts为高温时钢筋的温度。
第四步:围岩压力计算模块。分浅埋隧道和深埋隧道情况,计算不同里程断面的围岩压力。
(1)浅埋隧道(见图4):
竖向压力:
水平压力:
e1=γHλ,e2=γhλ (13)
式中:q浅为作用在支护结构上的均布荷载(kN/m2);Bt为隧道宽度(m);
为围岩计算摩擦角;θ根据不同围岩进行查。
(2)深埋隧道:
计算坍落拱高度:
h=0.45×2S-1×[1+i(B-5)] (14)
竖向压力:
q=γh (15)
水平压力,根据围岩级别而取相应的侧压力系数。
第五步: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,把上述第三步不同部位的力学特性和第四步的围岩压力代入,即可获得相应的内力。围岩压力和自重代入前,要进行等效节点荷载的处理,见图5~图9。
(1)等效节点荷载的处理
在实际工程结构中,围岩压力和结构自重一般不直接作用在节点上。为了配合衬砌的离散化,围岩压力和结构自重也要进行离散,也就是将作用在衬砌上的分布荷载置换成作用在节点上的等效节点荷载。
等效荷载的置换采用节点力的置换应按静力等效的原则进行,即节点力所做虚功等于单元上分布荷载所做的虚功。如图6所示,取图5中一衬砌单元为例(设其两端不等厚),其长度为L,它在水平和垂直方向上的投影长度分别为:
Lx=Lcosθ,Ly=Lsinθ (16)
根据静力平衡条件,垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为:
式中:Vi、Vj、为垂直均布荷载转换到节点上的等效节点力分量;qv为垂直均布荷载。
同理,水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为:
式中:Hi、Hj、为水平均布荷载转换到节点上的等效节点力分量;qh为水平均布荷载;其它符号意义见图6。
衬砌单元自重作用在单元上的等效荷载分量Vi0、Vj0、也可采用同样的方法求得。以上是局部坐标系中的非节点荷载转换成等效节点荷载,当坐标系不一致时,还需进行坐标变换。
(2)衬砌单元刚度矩阵
在单元局部坐标系下,见图7:
上式缩写成:
式中:——局部坐标系中的单元刚度矩阵;其中EA、EI均考虑衬砌材料受火灾损伤后的弹性模量、面积和截面抗弯惯性矩。
通过坐标选择变换,见图8
上式缩写成:
上式就是在两种坐标系中单元节点力的转换式。式中[T]称为坐标转换矩阵。
显然,节点力之间的这种转换关系,对节点位移同样适用,因此有:
注意到坐标转换矩阵[T]是一个正交矩阵,其逆矩阵等于其转置矩阵,即[T]-1=[T]T。有:
令
上式就是梁单元刚度矩阵的转换公式,利用这一公式即可由局部坐标系中的单元刚度矩阵和坐标转换矩阵[T]求得在总体坐标系中的单元刚度矩阵[K]e。
由此,在总体坐标系中单元刚度方程式应为:
{S}e=[K]e{δ}e (26)
对于梁单元,上式中的{S}e代表六个节点力,为便于建立节点的平衡方程,根据单元刚度矩阵的分块性质,可以将它写成同样,{δ}e代表两端六个节点位移,也可写成这样:
式中:{Si}e、{Sj}e为单元i端和j端的节点力,包括轴力、剪力和弯矩;{δi}e、{δj}e为单元i端和j端的节点位移,包括竖向,水平方向的线位移及转角;[Kii]e、[Kij]e、[Kji]e、[Kjj]e为单元刚度矩阵的子矩阵。
(3)建立结构刚度方程
对结构每个节点建立静力平衡方程式,将所有节点的平衡方程式集合在一起就是结构的刚度方程。根据矩阵位移法,考虑边界条件,即可求解内力,见图9。
第六步:衬砌安全性计算模块。根据第五步求得的不同部位的内力,和第三步求得的不同部位的力学特性,从而结合混凝土偏心受压构件破损阶段强度设计原理,得到相应的安全系数,其安全系数是考虑衬砌受火灾损伤后,强度降低和截面损伤的影响,计算如下:
首先要确定大小偏心受压的界限,判别受压区高度x和0.55h0的大小。
(1)x≤0.55h0时,即为大偏心,见图10,
设实际的安全系数为Kr,则:
若x<2a',则:
(2)x>0.55h0时,即为小偏心,见图11,
若轴向力N作用在钢筋Ag的重心和钢筋Ag'的重心之间时,则
其中:
中性轴的位置可按下式确定:
若轴向力N作用在钢筋Ag的重心和钢筋Ag'的重心之间时,左边第二项取正号,作用于之外时取负号。
式中:Ag、A'g为每个截面所需的上缘、下缘钢筋面积;h0为截面的有效高度;e、e′为轴力作用点至钢筋重心Ag、A'g的距离;e0为轴力作用点至钢筋截面重心的距离;a、a′为钢筋保护层厚度,可按规范取定;K为截面安全系数;Ra为受火灾损伤后衬砌混凝土的压强度;Rw为受火灾损伤后衬砌混凝土的弯曲抗压极限强度(Rw=1.25Ra);Rg为受火灾损伤后钢筋的抗拉或抗压极限强度;b为截面宽度,b=1.0m;x为混凝土受压区的高度。
Claims (1)
1.一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
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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
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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
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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
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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
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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:
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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:
<mrow>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>u</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>&rho;c</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>k</mi>
<mo>&dtri;</mo>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mi>l</mi>
</munder>
<mo>&Integral;</mo>
<msub>
<mi>c</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>dT&rho;D</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
<mo>&dtri;</mo>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<mover>
<msup>
<mi>q</mi>
<mrow>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>&rho;c</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>p</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>dp</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
对整个区域进行积分,得到参考压力方程:
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>dp</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<munder>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>&Omega;</mi>
</munder>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>&rho;c</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>k</mi>
<mo>&dtri;</mo>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<munder>
<mo>&Sigma;</mo>
<mi>l</mi>
</munder>
<msub>
<mi>c</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mo>,</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>T&rho;D</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
<msub>
<mo>&dtri;</mo>
<mi>l</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>q</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>q</mi>
<mrow>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
<mo>&prime;</mo>
</mrow>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
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<mo>-</mo>
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<mo>&Integral;</mo>
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</mrow>
</munder>
<mi>u</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<munder>
<mo>&Integral;</mo>
<mi>&Omega;</mi>
</munder>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>p</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<msub>
<mi>&rho;c</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mi>d</mi>
<mi>V</mi>
</mrow>
定义:
<mrow>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>|</mo>
<mi>u</mi>
<msup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mover>
<mi>p</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mi>&infin;</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
<mrow>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>u</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>&omega;</mi>
<mo>+</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>&rho;</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mi>&infin;</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&dtri;</mo>
<mover>
<mi>p</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>&rho;</mi>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mi>&rho;</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mi>&infin;</mi>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
<mi>g</mi>
<mo>+</mo>
<mi>f</mi>
<mo>+</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&tau;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
动量方程的最终求解形式为:
<mrow>
<msup>
<mo>&dtri;</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>u</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>&dtri;</mo>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>F</mi>
</mrow>
(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。
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