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研究生:姜惟元
研究生(外文):Wei-yuan Chiang
論文名稱:隧道混凝土襯砌火害後剝落之縮小模型實驗與模擬分析
論文名稱(外文):Experimental and numerical study on heated concrete spalling for tunnel linings using small-scale models
指導教授:江支弘江支弘引用關係
指導教授(外文):Chih-hung Chiang
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:117
中文關鍵詞:熱應力襯砌含水量剝落
外文關鍵詞:thermal stressliningmoisture contentspalling
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當隧道發生火災後,混凝土襯砌有可能因暴露於高溫之火場環境,而產生剝落之現象,此將造成隧道內頂部之混凝土或固定之機電設備有墜落之可能,進而影響用路人之避難安全及救援行動之進行。由國內外之文獻得知混凝土含水量為影響剝落之主要因素,因此本研究針對隧道混凝土襯砌建立縮小尺寸之模型進行火害實驗,以實驗所量測之加熱面升溫曲線套入數值模型,分兩階段進行熱分析與熱應力分析,第一階段之熱分析與實驗所量測之內部升溫曲線做對照及修正,其實驗值與模擬值之溫度差異百分比在6%以內,也確定數值模型能有效計算出混凝土襯砌在不同含水量影響下的溫度分佈狀況,第二階段熱應力分析的結果與實驗對照之後,發現當混凝土襯砌含水量從2%增加到6.7%時,表面最大熱應力值會增加83%左右,而含水量增加到4.5%時就會產生裂縫破壞。此外也嘗試分別改變火害最高溫度、土壤含水量、改變襯砌之骨材含量、水灰比,模擬之結果顯示,當混凝土襯砌受火害時,熱應力與溫度分佈受外在環境的影響較大,而本身配比之改變影響較不明顯。
Small-scale specimens were cast to study the spalling of concrete linings of tunnels. The specimens, 34 cm in diameter and 35 cm in length, were heated to 800oC in 9 minutes and kept for 30 minutes before the electrical oven was turned off. Finite element models were analyzed based on the temperature history recorded at various locations of the specimens. Transient thermal analysis was performed and corresponding results were compared with experimental temperature history. Modifications were then made to the models such that the temperatures at various locations were in agreement with experimental results for three levels of moisture content in the concrete linings. Subsquent analysis found that the maximum thermal stress increased 83% as the moisture content was raised from 2% to 6.7%. The analysis also found that the distributions of thermal stress were most likely to be affected by the maximum exposure temperature and the moisture content in the earth in direct contact with the concrete lining.
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 IX
表目錄 XIV
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 1
1-3 研究流程 3
第二章 文獻回顧 5
2-1 前言 5
2-2 隧道混凝土襯砌火害剝落之相關研究 5
2-3 含水量對混凝土熱學性質之影響 7
2-3-1 含水量對混凝土熱傳導之相關影響 7
2-3-2 含水量對混凝土比熱之相關影響 9
2-3-3 含水量對混凝土密度之相關影響 11
2-3-4 含水量對混凝土熱膨脹係數之相關影響 11
2-3-5 高溫下混凝土強度影響之相關因素 14
2-4 隧道鋼筋網在高溫下之熱性質 16
2-4-1 鋼筋之熱傳導係數 16
2-4-2 鋼筋之比熱 17
2-4-3 鋼筋之密度 18
2-4-4 鋼筋之熱膨脹係數 18
2-5 隧道覆土之熱學性質 18
2-5-1 隧道覆土之熱傳導係數 19
2-5-2 隧道覆土之比熱 20
2-5-3 隧道覆土之密度 20
2-6 隧道火害之升溫曲線 21
第三章 實驗規劃與結果 24
3-1實驗目的 24
3-2實驗規劃 24
3-2-1混凝土配置 24
3-2-2鋼筋配置 25
3-2-3熱偶計配置 25
3-2-4土壤配置 26
3-3高溫延燒試驗 31
3-3-1試驗製作 31
3-3-2加溫設備 31
3-4混凝土襯砌火害試驗結果 34
3-4-1試體加熱表面溫度 34
3-4-2試體內部溫度 35
3-4-3試體火害後之損壞現象 37
3-4-4陶瓷棉絕緣果之實驗探討 39
第四章 受火害之隧道混凝土襯砌有限元素模擬 40
4-1 熱分析的應用 40
4-2 熱模擬元素說明 42
4-2-1 三維熱分析元素- SOLID70、SOLID87、SOLID90 42
4-3 熱應力的應用 45
4-3-1 三維熱應力分析元素-SOLID95 46
4-3-2模擬結構之束制條件 47
4-4 材料參數值 48
4-4-1材料參數設定介面之介紹 48
4-4-2熱分析之參數 50
4-4-3熱應力分析之參數 53
4-5 分析模型之建立 55
4-6 收斂分析 57
4-7 溫度的加載方式 58
4-8 後處理部份 59
4-9 數值模擬之結果 59
4-9-1 隧道混凝土襯砌火害模擬第一階段熱分析之結果 59
4-9-2 數值模擬熱分析結果與實驗值之結果驗證 63
4-9-3 第二階段數值模擬熱應力分析之結果 71
4-10 混凝土襯砌受火害後在其他變數下之數值模擬分析 74
4-10-1 模擬改變加熱速率與加熱溫度 74
4-10-2 模擬改變土壤含水量 75
4-10-3 模擬有無鋼筋網之影響 75
4-10-4 模擬改變混凝土襯砌之骨材含量 76
4-10-5 模擬改變水灰比 76
第五章 結果分析與探討 86
5-1 不同含水量對混凝土襯砌受火害後熱應力結果分析 86
5-2定義破壞基準 88
5-3 模擬改變加熱速率與加熱溫度之結果分析 90
5-4 模擬改變土壤含水量 94
5-5模擬有無鋼筋網之影響 102
5-6 模擬改變混凝土襯砌之骨材含量 104
第六章 結論與建議 109
6-1 結論 109
6-1-1 實驗驗證數值模擬之結果 109
6-1-2 數值模擬之結果 110
6-2 討論與建議 112
參考文獻 113

圖目錄
圖1-1 研究流程圖3
圖2-1 混凝土熱傳導與含水飽和程度及單位體積重之關係 8
圖2-2 含水量與熱傳導係數之關係 9
圖2-3 常重混凝土與輕質混凝土比熱與含水量及溫度之關係 10
圖2-4 混凝土之溫度與比熱關係圖 10
圖2-5 水泥漿體的熱膨脹係數與相對濕度之關係 12
圖2-6 不同齡期水泥砂漿之膨脹係數 13
圖2-7 骨材絕對體積與熱膨脹係數之關係 14
圖2-8 混凝土熱膨脹係數與漿骨比的關係 14
圖2-9 火害暴露時間與火害溫度及混凝土殘餘強度之關係 16
圖2-10 容重 含水量與熱傳導係數之關係 19
圖2-11 公路隧道車輛燃燒之溫度歷時曲線 22
圖2-12 隧道學校大巴士火災試驗熱釋放率歷時曲線 22
圖3-2 試體製作與養護流程圖 26
圖3-1 隧道混凝土襯砌尺寸 27
圖3-3 試體置於烘箱中烘乾 28
圖3-4 試體置於室內空氣中氣乾 28
圖3-5 試體置於清水中飽和 29
圖3-6 鋼筋網示意圖 29
圖3-7 熱偶計配置圖 30
圖3-8 土壤配置圖 30
圖3-9 陶瓷棉包覆後之外觀 32
圖3-10 實驗高溫爐 33
圖3-11 溫度資料蒐集器 33
圖3-12 爐內試體表面熱偶計所量測之升溫曲線 35
圖3-13 試體背面頂部熱偶計所量測之升溫曲線 36
圖3-14 試體背面側邊熱偶計所量測之升溫曲線 36
圖3-15 頂部外側邊緣剝落示意圖 38
圖3-16 內表面中間裂縫示意圖 38
圖3-17 側邊外側邊緣剝落示意圖 38
圖3-18 爐內溫度透過陶瓷棉之溫度曲線 39
圖4-1 暫態熱分析載荷-時間曲線 41
圖4-2 SOLID70 六面體元素示意圖 43
圖4-3 SOLID87 四面體元素示意圖 43
圖4-4 SOLID90 六面體元素示意圖 44
圖4-5 SOLID95 六面體元素示意圖 47
圖4-6 束制條件示意 47
圖4-7 分別定義出三種不同材料之參數設定介面 49
圖4-8 混凝土熱傳導係數之設定介面 49
圖4-9 混凝土比熱之設定介面 50
圖4-10 隧道混凝土襯砌模型之三視圖 56
圖4-11 隧道混凝土襯砌內部鋼筋網模型之二視圖 56
圖4-12 量測之內表面頂部與內側邊升溫曲線 60
圖4-13 ABCD 剖面示意圖 60
圖4-14 數值模擬之溫度場 62
圖4-15 混凝土襯砌在不同含水量背面頂部之升溫曲線62
圖4-16 混凝土襯砌在不同含水量外側邊之升溫曲線 63
圖4-17 不同含水量試體數值模擬與實際值背面頂部之升溫曲線 66
圖4-18 不同含水量試體數值模擬與實際值外側邊之升溫曲線 67
圖4-19 包覆陶瓷棉初始設定之邊界條件示意圖 68
圖4-20 包覆陶瓷棉後續修正設定之邊界條件示意圖 68
圖4-21 修正後不同含水量試體數值模擬與實際值背面頂部之升溫曲線 69
圖4-22 修正後不同含水量試體數值模擬與實際值背面側邊之升溫曲線 70
圖4-23 試體形式示意圖 71
圖4-24 飽和試體熱應力分析結果 77
圖4-25 氣乾試體熱應力分析結果 77
圖4-26 烘乾試體熱應力分析結果 78
圖4-27 EFGH 剖面試意圖 78
圖4-28 位移量分佈剖面分析示意圖 78
圖4-29 溫度梯度造成收縮膨脹不均之示意圖 78
圖4-30 火害試驗結果內表面中間裂縫示意圖 79
圖4-31 裂縫發生處與剖面分析示意圖 79
圖4-32 熱應力分佈剖面分析示意圖 80
圖4-33 ANSYS 繪出內表面拉應力向量圖45°角 80
圖4-34 ANSYS 繪出內表面拉應力向量圖垂直內表面 81
圖4-35 內表面拉應力向量示意圖 81
圖4-36 拱型試體與板試體驗證分析之結果 82
圖4-37 內表面拉應力最大處與翹曲量最大處示意圖 82
圖4-38 數值模擬改變加熱速率與最高溫度曲線 83
圖5-1 在不同升溫條件下背面頂部之升溫曲線圖 91
圖5-2 不同含水量襯砌內表面熱應力最大值與不同升溫條件之關係 93
圖5-3 飽和襯砌在不同土壤含水量影響下背面頂部的升溫曲線 97
圖5-4 襯砌內表面熱應力最大值與不同土壤含水量之關係 99
圖5-5 混凝土襯砌受不同土壤含水量增加之背溫遞減趨勢 100
圖5-6 混凝土襯砌受不同土壤含水量增加之熱應力遞增趨勢 100
圖5-7 襯砌在不同骨材含量影響下背面頂部的升溫曲線106
圖5-8 襯砌在不同水灰比影響下背面頂部的升溫曲線107

表目錄
表1-1 歐盟近年公路隧道發生火災重大事故 4
表2-1 不同濕度下混凝土的熱膨脹係數 13
表2-2 土壤含水量與比熱之關係 20
表2-3 全尺寸隧道大巴士燃燒試驗結果 23
表3-1 混凝土之配比 24
表3-2 重量百分比含水量表格 30
表3-3 不同含水量之試體火害後損壞區域整理 37
表4-1 熱單元及相應的结構元素 46
表4-2 混凝土之熱傳導係數 51
表4-3 混凝土之比熱 51
表4-4 鋼筋之熱傳導係數 52
表4-5 鋼筋之比熱 52
表4-6 土壤之熱傳導係數 52
表4-7 混凝土之熱膨脹係數 53
表4-8 混凝土不同骨材含量之彈性模數 53
表4-9 混凝土不同水灰比之彈性模數 54
表4-10 鋼筋之熱膨脹係數 54
表4-11 網格劃分收斂分析 57
表4-12 收斂誤差值一覽表 58
表4-13 數值模擬與實際值之背面頂部最終溫度差異表66
表4-14 數值模擬與實際值之外側邊最終溫度差異表 67
表4-15 修正後數值模擬與實際值之背面頂部最終溫度差異表 69
表4-16 修正後數值模擬與實際值之背面側邊最終溫度差異表 70
表4-17 剖面內表面上資料點之數據 80
表4-18 拱型試體與板試體驗證分析之結果數據 82
表4-19 不同含水量之隧道襯砌受火害後數值模擬結果83
表4-20 改變骨材含量之熱傳導係數 84
表4-21 改變骨材含量之熱膨脹係數 84
表4-22 改變水灰比之熱傳導係數 85
表4-23 改變水灰比之熱膨脹係數 85
表5-1 不同含水量之隧道襯砌受火害後數值模擬結果 88
表5-2 混凝土襯砌含水量重量百分比與有無損壞表格 89
表5-3 飽和襯砌受不同火害升溫速率與最高溫後數值模擬結果 92
表5-4 氣乾襯砌受不同火害升溫速率與最高溫後數值模擬結果 92
表5-5 烘乾襯砌受不同火害升溫速率與最高溫後數值模擬結果 93
表5-6 混凝土襯砌不同含水量在不同線性加熱溫度下破壞基準 94
表5-7 飽和襯砌受不同土壤含水量後數值模擬結果 97
表5-8 氣乾襯砌受不同土壤含水量後數值模擬結果 98
表5-9 烘乾襯砌受不同土壤含水量後數值模擬結果 98
表5-10 模擬不同含水量襯砌在土壤含水量分別為2%與5%之熱應力分析結果 99
表5-11 飽和襯砌受不同土壤含水量模擬結果差異表 101
表5-12 氣乾襯砌受不同土壤含水量模擬結果差異表 101
表5-13 烘乾襯砌受不同土壤含水量模擬結果差異表 102
表5-14 有無配置鋼筋之混凝土襯砌模擬結果差異表 104
表5-15 混凝土襯砌與鋼筋網之縮小比例 104
表5-16 襯砌受不同骨材含量影響之數值模擬結果 107
表5-17 襯砌受不同水灰比影響之數值模擬結果 107
表5-18 由數值模擬不同變數下對混凝土襯砌受火害之影響差異表 108
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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