张黎阳
上海隧道工程有限公司，上海，200032
摘要：烟道板结构是公路隧道中独立排烟道主要结构，该结构的耐火性能直接关系到火灾下隧道内人员和车辆的安全。但是当火灾工况时，隧道上部结构受影响比较大，可能导致混凝土爆裂，钢筋强度削弱，甚至出现结构坍塌。文章围绕对沿江通道越江隧道（浦西牡丹江路~浦东外环线）新建工程I标项目，不仅对掺入聚丙烯纤维的预制烟道板试件进行常规结构耐火试验，还对受火前后的烟道板试件进行静力加载试验，通过对比检验其受火后的结构承载能力，验证烟道板的耐火性能。
关键词：聚丙烯纤维；烟道板；耐火性能，结构承载能力
引言
随着我国交通建设的不断发展，城市内的地面道路和高架桥梁已经不能满足交通出行的需要，越来越多的公路隧道不断涌现，特别是长大越江隧道和地下通道。同时隧道内发生火灾的几率伴随着交通流量和运输货物品种的增涨而增涨。一旦发生火灾，隧道狭长两侧封闭，高温烟气需要通过较长路径才能达到隧道两端出入口，将对隧道内人员和车辆构成严重威胁。目前，国内长大公路隧道通过独立排烟道结构设计来集中排烟，取得很好的排烟效果。但是火灾情况下，隧道上部结构受影响比较严重，易发生爆裂而受损，对结构稳定性产生不利影响，导致原有的结构设计功能失效，此时烟道板结构能否有效保证隧道内人员和车辆的安全，逐渐成为我们着重研究的方向。
文章围绕沿江通道越江隧道（浦西牡丹江路~浦东外环线）新建工程I标具体实例，不仅通过对掺入聚丙烯纤维的预制烟道板试件进行结构耐火试验，确定其在隧道火灾下的温度分布、挠度，观测其开裂情况，评定其完整性和隔热性，检验其耐火性能；而且考虑到火灾工况时，隧道上部结构受影响比较大，可能导致混凝土爆裂，钢筋强度削弱，故通过对受火前后的试件进行静力加载试验的对比检验其火灾后的承载能力，从而验证烟道板的耐火性能。
1工程概况
沿江通道越江隧道新建工程I标是连接上海宝山和浦东新区的公路越江隧道，为了缓解上海外环隧道通行压力而设计。隧道长达5.2km，内径13.7m，结构分车道层和电缆及逃生通道层。隧道顶部为集中排烟通道，两侧是现浇钢筋混凝土牛腿，牛腿通过植筋和隧道衬砌结构连接，预制烟道板架设在牛腿上。隧道横断面形式如图1所示。
预制烟道板尺寸为长9.292m×1.8m×厚0.25m，跨度为8.733m。预制混凝土烟道板在实际使用中，除了自重外，不承受其他任何荷载。预制烟道板混凝土强度C40，掺入聚丙烯纤维，掺入量为2.5kg/m3。
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图 1 隧道横断面图
2烟道板试件耐火试验
2.1 试件结构设计
综合考虑防火试验室试验炉的试验条件（炉膛大小4.5m×3.0m），为准确模拟烟道板的耐火性能，尽量反映烟道板的实际情况，耐火试验采用的试件结构如下：
①试件截面规格为470mm×250mm；试件长度3640mm，跨度（板端支座中心的距离）3510mm；试件数量3个，尺寸见图2。
②试件配筋按照荷载比相同的原则进行设计。
③混凝土强度等级同原设计，为C40；混凝土中掺入2.5kg/m3的聚丙烯纤维；其材料性能指标详见表1。
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2.2 试验内容
在整个耐火试验期间，对烟道板不施加除其自重外的其他荷载；通过热电偶（见图2）接受钢筋混凝土试件中温度上升，并全程记录试件的内部温度和背火面温度、炉内温度，并在受火后对试件混凝土的表观特征（损伤深度、酥松深度、剥落深度等）进行观测。
图2 烟道板试件尺寸及温度测点布置图
2.3 试验升温条件
烟道板试件耐火试验采取比较严格的RABT标准升温曲线。
2.4 试验结果及分析
①烟道板试件温度
在距受火面25mm、50mm以及100mm不同位置处的通过热电偶测得的试件内部温度随时间的变化曲线图如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。
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可以看出，试件在RABT Car 升温曲线下作用30min 后，试件的温度最高181℃，不超过200℃，满足规定耐火性能中“隔热性”的要求。250mm厚的烟道板试件中，受火面25mm以上部分的温度低于200℃，这表明混凝土中钢筋的强度下降极少，因此烟道板的抗火承载力足够。
②试验现象
受火期间，较多水蒸汽出现在试件的背火面，并生成液态水。受火结束后，受火面有粉末状的白色物质出现，混凝土颜色稍微变深；局部可见浅碎细块，深度小于1cm，破碎处混凝土内纤维已融解形成孔穴且混凝土内聚丙烯纤维可见；整体结构无明显破破坏，仅表层混凝土损伤很轻，烧伤区基本上跟原来一样，损伤深度约4cm，酥松深度约2cm，基本无剥落。试验前后照片见图4和图5。烟道板试件完整性保持较好、无贯通裂缝，满足完整性要求规定。
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图5 试件受火面受火前后对比图
3 受火前后静力加载试验
3.1 试验内容
在耐火试验开始之前，对3个模拟试件进行静力加载试验，试验为非破坏性试验。施加荷载至试件的设计荷载，确定试件的弯矩-挠度关系曲线。
耐火试验结束后，将烟道板试件从试验炉移出，待20天在试件内的残余应力消除后，移台座进行静力加载试验，确定试件的弯矩-挠度关系曲线和机构残余承载力。
于L/3点处施加竖向荷载（2点同步加载）；采用力控制加载，记录荷载-挠度曲线，直至试件破坏，确定火灾后烟道板的最大抗弯承载力。竖向位移的测点数量及位置见图6。
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图6 静力加载以及挠度测点布置图
在支座顶面、L/3加载点、跨中底面处各布置2个位移计测量各点的竖向位移（如图5），用以确定试件的挠度。
3.2 试验结果及分析
（1）未受火烟道板静力试验
试验结果显示，3个烟道板试件的跨中弯矩与挠度曲线基本相同，如图6所示。试验中，试件未出现裂缝，烟道板试件未出现坍塌，挠度小于规范限值。
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图7 未受火试件挠度随弯矩变化曲线图
（2）受火后烟道板静力试验
测得3个试件的挠度随弯矩变化曲线基本相同，如图7。可见，荷载下挠度随弯矩的变化曲线基本呈线性关系，并测得结构残余承载力达309.8KN。试件在达到设计规定荷载后，还可继续承受一定的荷载，试件承载力具有较大富余。试验结果表明，烟道板试件的极限承载力能够满足设计承载力，并且能够满足火灾下抗坍塌的能力。
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图9 受火前后现场加载试验图
4 结论与建议
通过预制烟道板试件进行结构耐火试验及受火后静力加载试验结果可以看出掺入聚丙烯纤维的烟道板试件能够满足耐火性和火灾后的承载力等要求，同时受火后挠度有所增大。通过试验为长大公路隧道烟道板耐火性能研究提供了重要的数据资料，并得出以下结论与建议：
（1）结论
①烟道板耐火试验及火灾后烟道板静力试验结果表明，试件未出现坍塌，挠度小于规范限值，满足规定的承载力要求；试件保持完整性、无贯通裂缝，满足规定的完整性要求；试件背火面的温度不超过200℃，满足规定的绝热性要求；因此，满足规定的耐火极限要求。
②沿江通道工程预制烟道板在混凝土中掺入聚丙烯纤维，在受火情况下，掺入的聚丙烯纤维在混凝土中熔解并形成孔洞，水蒸气通过孔洞疏导，并在背火面出现液态水，明显减少混凝土爆裂。
③对受火后的烟道板试件进行静力加载试验，试件在达到设计规定荷载后，还可继续承受一定的荷载，试件承载力具有较大富余，说明受火后的结构承载能力仍能够满足设计承载力。
（2）建议
由于烟道板在受火后挠度会有所增加，建议在烟道板两端应保证有足够的支承长度。
参考文献
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