公路隧道排烟道顶隔板结构耐火性能试验研究

公路隧道排烟道顶隔板结构耐火性能试验研究摘要独立集中排烟是特长公路隧道主流排烟形式，排烟道顶隔板（烟道板）作为分隔行车空间与上部排烟风道的关键承重分隔构件，支撑于衬砌植筋牛腿之上；该构件在早期隧道防火规范中缺少明确耐火设计参数。本文通过高温-荷载耦合实体耐火试验，开展钢筋混凝土顶隔板及其支撑牛腿、植筋连接体系的抗火研究，采用HC碳氢升温曲线与多组恒温工况，测试构件温度场、跨中挠度、火灾后剩余承载力；同步对比有无防火涂料保护下植筋牛腿的高温失效特征，结合有限元数值模拟，揭示顶隔板在隧道火灾下的灾变规律、承载力衰减机制，建立火灾后损伤评价方法。结果表明：顶隔板承载力损失与受火温度呈非线性关系；HC曲线2h受火工况损伤最严重，承载力降幅达76%；植筋粘结界面是整套烟道结构抗火薄弱部位；增设防火保护层可显著延缓植筋胶温升、保护连接节点。研究成果可为特长公路隧道独立排烟道防火设计、火灾后结构鉴定加固提供试验依据。关键词：公路隧道；独立排烟道；顶隔板；耐火性能；HC升温曲线；植筋牛腿；高温承载力1引言特长公路隧道火灾风险高，集中排烟系统依靠顶部独立排烟道收集、排出烟气，保障疏散通道能见度。排烟道由顶隔板+两侧支撑牛腿组成：顶隔板为钢筋混凝土板，承受自重、检修荷载，底面直接暴露于行车道火灾高温烟气；牛腿一般采用植筋方式锚固于隧道二次衬砌，是顶隔板的支座。在该研究开展阶段，国内隧道规范仅针对衬砌主体，没有专门针对排烟道顶隔板、植筋牛腿的耐火极限判定标准，不清楚高温下板的变形、爆裂、垮塌风险，也不掌握植筋胶高温软化、粘结滑脱的临界条件，制约集中排烟方案应用。隧道火灾属于碳氢类火灾，区别于建筑标准升温曲线，本研究优先采用HC碳氢升温曲线，同时设置700/800/900℃恒温对照工况，模拟不同距离火源位置的烟道受热条件，开展高温恒载耦合试验，还原真实受力状态（自重+设计恒载），而非单纯无荷载耐火试验。2试验概况2.1试件设计顶隔板试件：钢筋混凝土简支板，C30混凝土，普通热轧钢筋，板厚符合工程原型缩尺，简支支撑在预制牛腿上；部分试件掺聚丙烯纤维抑制高温爆裂。牛腿试件：植筋式混凝土牛腿，植筋胶锚固钢筋至基体混凝土；分两组：无防火防护组、防火涂料防护组。植筋小试件：配套植筋拉拔试块，用于单独测定高温、高温冷却后植筋粘结滑移性能。2.2试验工况（共4组顶隔板主工况，受火时长均为2h）工况编号受热条件说明工况1HC碳氢升温曲线隧道近火源区，最严苛火灾工况工况2900℃恒温2h距离火源较近高温区工况3800℃恒温2h中等高温区域工况4700℃恒温2h远离火源的烟道区段补充说明：HC曲线快速上升，10min内达到1100℃左右，适合燃油火灾；后续很多新建盾构隧道烟道板耐火试验改用ITA推荐RABT曲线（5min升至1200℃，维持110min）。2.3加载与量测方案加载：高温下维持恒定荷载，模拟顶隔板长期服役荷载，属于荷载-温度耦合试验（区别于单纯耐火完整性试验）；温度量测：板厚方向多层热电偶，沿板跨、支座牛腿、植筋孔道布置，采集混凝土、钢筋、植筋胶温度；变形量测：跨中、支座位置位移计，记录高温下挠度随时间发展；后处理测试：试件自然冷却至常温后，重新静力加载直至破坏，测定火灾后剩余极限承载力；观测：记录混凝土爆裂、裂缝开展、植筋滑移、冒烟、保护层剥落等试验现象。3主要试验现象HC曲线工况（最不利）：迎火面早期大量水蒸气逸出，随温度升高发生混凝土爆裂、表层酥松；跨中挠度持续快速增长；冷却后板底网状裂缝密集；静力加载时裂缝快速贯通，剩余承载力最低。恒温900℃工况：同样出现表层爆裂，挠度明显，但变形增速低于HC曲线；700、800℃恒温工况：混凝土爆裂显著减轻，以表面裂缝为主，挠度可控，损伤较轻；掺PP纤维试件爆裂现象得到明显抑制。植筋牛腿：无防火涂料的牛腿，植筋胶温度快速超过软化温度，高温下出现缓慢滑移；带防火涂料的牛腿，植筋界面温升被大幅推迟，高温阶段粘结稳定，滑移很小。结构薄弱点：不是混凝土顶板本身，而是植筋胶粘结界面，高温软化脱粘会造成支座失效、板体垮塌。4试验结果与规律4.1温度场分布热量由迎火面（板底）向板顶传递，存在明显温度梯度；混凝土导热慢，板内部升温滞后；植筋孔道位置热量集中，植筋胶位置温升高于周边混凝土。4.2挠度变形规律升温速率越快、峰值温度越高，跨中挠度发展越快；HC曲线下挠度远大于同时间恒温工况；高温下混凝土弹性模量下降、钢筋强度折减，板刚度持续退化。4.3剩余承载力衰减（核心结论）受火2h冷却后，对比常温极限承载力，承载力损失：HC曲线工况：损失76%（剩余承载力仅24%），损伤严重；900℃恒温：损失50%；800℃恒温：损失25%；700℃恒温：损失24%。承载力损失与受热温度非线性相关，低温段承载力下降平缓，超过临界温度后承载力快速陡降。4.4植筋粘结性能试验结果常温植筋粘结强度高；高温持续作用下（恒温加载），植筋胶达到软化温度后，粘结应力断崖式下降，发生滑移破坏；先高温烘烤冷却后再拉拔：粘结损失小于“高温同时受力”工况；防火保护层可以将植筋胶峰值温度控制在软化阈值以下，保护节点。5有限元数值模拟基于试验标定材料高温本构（混凝土、钢筋、植筋界面），建立足尺排烟道顶隔板模型，复现温度场、挠度与破坏模式；开展参数分析：板厚、保护层厚度、防火涂层、荷载水平对耐火极限的影响；提出火灾后构件损伤分级判定方法、损伤分区，给出不同损伤等级对应的加固策略。6工程防火对策建议近火源区段排烟道顶隔板：必须设置防火保护，优先保护牛腿植筋节点（薄弱位置）；混凝土材料：可掺聚丙烯纤维，抑制高温爆裂；防火涂料/防火板方案：控制植筋胶在火灾全过程不超过其耐热临界温度；耐火指标控制：结合隧道火灾规模，区分近火源段、远端段差异化设计，不统一套用同一耐火时长；火灾后评估：以剩余承载力、挠度、混凝土爆裂损伤、植筋滑移作为综合判定指标，不能只看外观。7结论排烟道顶隔板高温损伤具有明显温度依赖性，HC碳氢火灾曲线作用下损伤最为剧烈，受火2h承载力损失可达76%，是集中排烟隧道最不利设计工况；植筋锚固牛腿是排烟道结构抗火薄弱环节，植筋胶高温软化、粘结滑脱是支座失效主控模式，比顶板混凝土破坏更早发生；防火防护的核心不是只保护顶板板面，优先保护植筋连接节点；该试验填补国内独立排烟道顶隔板耐火试验空白，为特长公路隧道集中排烟道防火设计、规范编制、灾后鉴定加固提供试验支