CN111177841B - 一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，所述火灾实验***包括物理试验单元，用于在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件进行全息火灾实验，以获取构件的全息特征参数数据；数值分析单元，用于在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据；融合控制单元，用于根据所述多场耦合边界数据，对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，用于根据所述全息特征参数数据，对所述数值空间的输入参数进行更新和调整。本发明通过数物共融、实时交互，实现对大型隧道结构全体系、火灾全过程中真实高温力学特性的全息信息获取。

Description

一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法
技术领域
本发明涉及隧道及地下建筑工程技术领域，特别涉及一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法。
背景技术
火灾是影响隧道安全运营的主要威胁。由于空间环境封闭，隧道火灾具有升温速度快、持续时间长、温度分布不均匀等特征，导致火灾时大量的热传递到隧道衬砌结构及周围地层中，形成了温差极大的非稳态温度场，进而导致不均匀热应力及变形的逐渐发展累积，最终使得混凝土爆裂、保护层剥落、钢筋出露失效及衬砌力学性能劣化，显著降低隧道衬砌结构的承载力和可靠性。
随着社会的发展进步，以超长、大断面、大埋深、高水土压力，复杂地质条件为特征的隧道工程越来越多，这些隧道工程断面大，衬砌结构构造复杂，再加上复杂苛刻的地质条件，其火灾下的力学行为及破坏机理更为复杂。因此，如何确保这些承受复杂水土压力的大型隧道结构的火灾安全性至关重要。
目前针对大型复杂隧道结构在高温下的热力耦合问题的研究方法和手段主要分为完全数值计算方法、构件火灾试验以及缩尺结构试验及小型足尺试验。但是，目前复杂地质条件下对于大型复杂隧道结构热力耦合问题的研究，存在的问题和不足主要体现在：(1)目前的试验研究和方法不能将隧道结构-地层作为复合体系考虑其火灾特性；(2)对于非均匀、非稳态火灾高温作用以及温度-应力全过程耦合作用，单一的数值模拟存在许多局限性，特别是对于结构和土体的相互接触、结构细部构造等关键问题的模拟存在较大偏差，此外，在新材料、新结构形式、新火灾场景等背景下，由于无背景资料及积累，加上其本身复杂的行为，数值模拟的方法明显不能准确反映结构的真实的受力和变形特性；(3)缩尺模型试验难以体现复杂地质状况下地下结构的火灾真实响应。
基于以上分析，隧道结构向更长、更大、更深的方向快速发展，设备能力无法满足不断增长的足尺试验的需求，可以提供的研究手段与需求间存在巨大的鸿沟，亟需发展新的方法来解决。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，通过数物共融、实时交互，实现对大型隧道结构全体系(结构+地层复合体系)、火灾全过程中其真实高温力学特性的全息信息获取。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***，所述火灾试验***包括：
物理试验单元，用于在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件进行全息火灾实验，以获取构件的全息特征参数数据；
数值分析单元，用于在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据；
融合控制单元，用于根据所述多场耦合边界数据，对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，用于根据所述全息特征参数数据，对所述数值空间的输入参数进行更新和调整。
在一实施例中，所述物理试验单元包括火灾热环境模拟子***、多场耦合边界加载子***以及全息数据采集子***。
在一实施例中，所述火灾热环境模拟子***包括所述火灾热环境模拟子***包括炉膛、燃烧器、温控箱、空气供应设备以及燃气供应设备。
在一实施例中，所述燃气供应设备包括液化气瓶及气化装置。
在一实施例中，所述全息特征参数包括宏观力学参数、多场特征参数以及多尺度图像信息。
在一实施例中，所述全息特征参数包括炉膛内温度、管片内部温度分布、管片位移、接头张角、管片的含水率、管片超声波速、管片红外热像图、裂纹扩展及爆裂性剥落。
在一实施例中，所述多场耦合边界数据包括热-力-水-汽热-力-水-汽多场耦合边界数据。
在一实施例中，所述足尺隧道结构体系数值模型包括隧道结构模型以及隧道周围水土体模型。
在一实施例中，所述典型构件包括标准块、封顶块、接头和止水条。
在一实施例中，所述数值分析单元通过轻量化计算获取所述典型构件的多场耦合边界数据。
在一实施例中，所述物理试验单元用于在所述物理空间，对所述隧道结构体系的若干典型构件进行所述全息火灾实验，以实时获取构件的全息特征参数数据；
所述数值分析单元用于在所述数值空间建立所述足尺隧道结构体系数值模型，以实时获取所述典型构件的多场耦合边界数据；
所述融合控制单元用于根据获取的所述多场耦合边界数据，实时对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，根据获取的所述全息特征参数数据，实时对所述数值空间的输入参数进行更新和调整。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验方法，所述火灾试验方法包括：
在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件进行全息火灾实验，以获取构件的全息特征参数数据；
在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据；
根据所述多场耦合边界数据，对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，根据所述全息特征参数数据，对所述数值空间中的输入参数进行更新和调整。
在一实施例中，所述全息特征参数包括宏观力学参数、多场特征参数以及图像信息。
在一实施例中，所述全息特征参数包括炉膛内温度、管片内部温度分布、管片位移、接头张角、管片的含水率、管片超声波速、管片红外热像图、裂纹扩展及爆裂性剥落。
在一实施例中，所述在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据的步骤包括，在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以通过轻量化计算获取所述典型构件的多场耦合边界数据。
在一实施例中，所述典型构件包括标准块、封顶块、接头和止水条。
在一实施例中，所述多场耦合边界数据包括热-力-水-汽多场耦合边界数据。
在一实施例中，所述足尺隧道结构体系数值模型包括隧道结构模型以及隧道周围水土体模型。
在一实施例中，所述火灾试验方法包括：
在所述物理空间，对所述隧道结构体系的若干典型构件进行所述全息火灾实验，以实时获取构件的全息特征参数数据；
在所述数值空间，建立足尺的所述隧道结构体系的数值模型，以实时获取各所述典型构件的多场耦合边界数据；
根据获取的所述多场耦合边界数据，实时对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，根据获取的所述全息特征参数数据，实时对所述数值空间的输入参数进行更新和调整。
本发明的火灾试验***及方法，突破了传统构件试验和数值模拟的局限，创造性的将物理空间与数值空间融合在一起，可以充分体现大型复杂隧道体系在火灾火场耦合作用下的真实火灾响应；
本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，能够反映隧道结构作为由多块管片构成的不连续和超静定体系的渐进性破坏过程以及在结构体系层次所表现出的力学特性、破坏模式及与地层间的相互作用；
本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，能为解决复杂环境下地铁及越江跨海隧道衬砌结构的防火安全问题提供理论基础和技术支撑。
附图说明
图1显示为本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***的结构框图。
图2显示为本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验方法的流程示意图。
图3显示为本发明的物理试验单元中全息火灾实验的总体布置结构图。
图4显示为本发明的物理试验单元中的衬砌管片的温度及位移测点的布置图。
图5显示为图4中沿A-A方向的剖面图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的实施例公开了一种基于数物空间实时数据融合的隧道结构火灾试验方法及***，其中，图1示出了本发明的基于数物空间实时数据融合的隧道结构火灾试验***的结构框图，图2示出了本发明的基于数物空间实时数据融合的隧道结构火灾试验方法的流程示意图。如图1所示，所述隧道结构火灾试验***主要包括三个部分，分别是物理试验单元100(物理空间)，数值分析单元200(数值空间)和融合控制单元300，通过数物共融、实时交互，实现对大型隧道结构全体系(结构+地层复合体系)、火灾全过程(发生-发展-蔓延-衰减全过程)中其真实高温力学特性的全息信息获取(空间上多尺度、时间上全过程)：即在数值分析单元200中，对隧道-地层整体结构进行模拟；在物理试验单元100中，对隧道结构中复杂构件或薄弱结构(后文也称为典型构件或关键物理子结构)进行单独的高温物理实验，通过对两者间数、物对象实时数据的交互和融合，实现对大型隧道结构在真实火灾边界下，真实火灾响应的掌握。
下面将结合图1来说明本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***。
请参阅图1，所述物理试验单元100用于在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件进行全息火灾实验(也即足尺构件火灾试验)，以获取构件的全息特征参数数据。具体地，在本实施例中，所述物理试验单元100用于在所述物理空间，对所述隧道结构体系的部分或者全部的典型构件进行所述全息火灾实验，以实时获取构件的全息特征参数数据，其中，所述典型构件例如可以是标准块(例如管片)、封顶块、接头(例如螺栓连接处)和止水条等，所述全息特征参数例如可包括宏观力学参数(例如弯矩、轴力和剪力等)、多场特征参数(例如温度场和流体场)以及图像信息(例如裂缝扩展和爆裂性剥落等)；其中，关键构件(典型构件)的多场耦合边界由数值分析单元200的分析结果得来，并通过对于热-力-水-汽多场耦合的复杂边界的控制策略，实现物理边界的不断调整，在开展足尺管片火灾试验的同时，实时监测并反馈管片的全息特征参数。
需要说明的是，在物理空间中，监测的全息特征参数主要包含三个部分：一方面是与多场耦合中的“力”相关的，包括管片的位移和接头之间的张开角，其反应弯矩、轴力和剪力等力的作用；另一部分主要与“热”相关，主要指管片内部的温度场分布，管片的含水率变化(反映水汽在管片中的运移情况，也即流体场)等等；第三部分包括图像信息，主要指裂缝扩展和爆裂性剥落等信息，也就是说所述全息数据采集子***103，主要采集的参数包括：炉膛内温度、管片内部温度分布、管片位移、接头张角(张开量)、管片的含水率、管片超声波速、管片红外热像图、裂纹扩展及爆裂性剥落等全息特征参数。
请参阅图1，所述物理试验单元100至少包含火灾热环境模拟子***101、多场耦合边界加载子***102和全息数据采集子***103。
如图1所示，在本实施例中，所述火灾热环境模拟子***101，用于模拟火灾热环境，其例如可以由炉膛、燃烧器、温控箱、空气供应设备及燃气供应设备构成，其中，所述燃气供应设备例如可包括液化气瓶和强制气化装置。例如可采用工业级燃烧器和程序自动控制升温，火灾热环境模拟子***101能够达到的最高温度为1200℃，最大升温速度可达300℃/min，同时，可以预设不同的温度－时间曲线，该火灾热环境模拟子***101能够较好的模拟隧道火灾升温速度快、达到的最高温度高的特点，同时，产生的温度场波动小，温度分布均匀。所述火灾热环境模拟子***101热边界条件的可选取标准升温曲线，如ISO834、H-C及RABT曲线，作为衬砌结构火灾热边界条件。
请参阅图1，所述多场耦合边界加载子***102，可以实现力边界、温度边界、水汽边界和周围地层边界等多场耦合边界的加载，以便能够在火灾模拟过程中反映了结构之间相互作用的内力，结构和土体之间相互作用的内力以及衬砌管片间的相对位移，所述多场耦合边界加载子***102的组成部分包含但不仅限于电液伺服作动器的同步、异步加载闭环控制多个横向加载作动器和多个垂向加载作动器等。需要说明的是，该多场耦合边界加载子***102可由下文将要介绍的融合控制单元300的作动器控制模块303进行控制，可分别对加载作动器选择荷载控制或位移控制，进行不同工况组合下的试验。
请参阅图1，所述全息数据采集子***103用于监测并反馈典型构件(的全息特征参数，包含若干测试元件以及数据采集装置(例如可以是Data Taker数据采集装置)。在试验过程中，需测量炉膛内温度、管片内部温度、管片位移、接头张角(张开量)、管片的含水率、裂纹扩展及爆裂性剥落等全息特征参数，在试验过程中，可以将各个测试元件所采集的数据通过Data Taker传输到计算机(其中包含融合控制单元300)上。所述测试元件可以根据监测的物理量进行选择，作为示例，管片内部温度例如可通过将K型铠装热电偶***管片预留的测温孔中测量，由于试验时热电偶的冷端离热源较近，导致冷端温度随着环境温度的波动而变化，为了减小由于冷端温度变化而导致的误差，使测量所得温度更加接近真实温度，对热电偶采用补偿导线法进行冷端温度的补偿；炉膛内温度例如可采用K型装配式热电偶测量，分别布置在炉膛中央及两侧；需要说明的是，在测温孔底部注入少量导热性能较好的铝粉/铜粉，以使热电偶端部与混凝土间具有良好的热接触；管片位移例如可通过布置水平位移计(或水平位移传感器)和/或竖直位移计(竖直位移传感器)来测量，采集裂纹扩展及爆裂性剥落例如可采用图像采集装置进行监测。
图4示出了物理试验单元100中的衬砌管片的温度及位移测点的布置图，图5示出了沿图4中A-A方向的界面示意图。如图4和图5所示，在衬砌管片的两端分别设置有水平位移计9，在衬砌管片的两端之间间隔设置有若干个竖向位移计8；通过所述水平位移计9和所述竖向位移计8来监测衬砌管片的位移数据，并将位移数据通过数据采集***上传给计算机，在融合控制单元300中进行处理；沿所述衬砌管片的厚度方向依次设置若干热电偶10，用于测量衬砌管片内部的温度分布。作为示例，所述竖向位移计8例如可包括三个，所述热电偶10流入可以包括5个。
图3示出了物理试验单元100中足尺构件(隧道衬砌管片)火灾试验的总体布置结构图，所述足尺构建火灾试验的总体布置结构至少包括反力框架1，竖直作动器2(所述竖直作动器包括但不限于电液伺服竖直千斤顶作动器)，待测隧道衬砌管片3，水平作动器4(所述水平作动器包括但不限于电液伺服水平千斤顶作动器)，高温炉及燃烧器5(属于火灾热环境模拟子***101)以及电液伺服作动器控制箱6以及控制装置7；所述待测隧道衬砌管片3设置于所述高温炉及燃烧器5上，通过高温炉及燃烧器5来模拟火灾热环境，对所述衬砌管片3施加火灾热环境；所述水平作动器4及所述竖直作动器2的固定端与所述反力框架1连接，所述水平作动器4及所述竖直作动器2的活动端与所述待测隧道衬砌管片3接触，其中，所述水平作动器4分别位于所述待测隧道衬砌管片3的两侧，所述竖直作动器2位于所述待测隧道衬砌管片3的顶部，所述电液伺服作动器控制箱6由融合控制单元300的作动器控制模块303进行控制，通过对于热-力-水-汽多场耦合的复杂边界的控制策略来控制所述水平作动器4及所述竖直作动器2来实现物理边界的施加和调整；所述控制装置7中设置有数据采集装置、所述数值分析单元200以及所述融合控制单元300，其中所述数据采集装置与各测试单元连接，可以将各个测试元件所采集的数据通过Data Taker传输到控制装置7，作为构件的全息特征参数数据。
请参阅图1，所述数值分析单元200用于在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件(标准块、封顶块、接头、止水条等)的多场耦合边界数据。具体地，火灾发生时，最危险的部分是起火处的隧道结构，导致该处产生衬砌开裂、剥落，接头张开的不利影响，采用数值模拟软件对该处整环衬砌结构在火灾条件下进行模拟，输入初始参数，如材料本构、结构间相互作用、热力耦合边界、水汽输送运移等参数，建立求解多场耦合隧道结构的微分方程的数值积分算法，输入到有限元软件中基于特征参数进行轻量化计算，得出整个结构的热力响应结果，也即得出多场耦合边界数据，之所以需要进行轻量化计算是为了能够实时的实现与物理实验单元100进行数据融合交互。
需要说明的是，通过足尺隧道结构体系数值模型求解并输出的多场耦合边界数据包括单不限于管片内部温度分布、管片位移、接头张角(张开量)、管片之间的相互作用内力、结构和地层间的相互作用、周围水土体中的温度场分布及内力分布等。
如图1所述，所述数值分析单元200包括多场耦合边界选取模块块201、衬砌-地层特征参数获取模块202以及轻量化计算模块203。所述多场耦合边界选取模块块201可选取标准升温曲线，如选择ISO834、H-C及RABT曲线作为衬砌结构火灾热边界条件；也可以结合实际情况中火源的位置、可燃物的种类及数量和热释放率大小等工况，运用FDS软件求解器计算火灾结构区域内作用在衬砌表面的温度场，作为热边界条件；所述衬砌-地层特征参数获取模块202与融合控制单元300的参数交互融合模块302连接，通过所述参数交互融合模块302更新和调整所述数值空间的输入参数(也即数据融合过程)，更新和调整的输入参数例如可包括衬砌本构和地层特征参数、热-力-水-汽等多场参数、裂纹扩展及爆裂性剥落等参数；所述轻量化计算模块203所述轻量化计算模块203用于轻量化计算或者建立数值模拟结果的数据库，模拟多种工况，实现快速调用，例如可通过有限元软件或3D建模等方式建立包含周围水土体的结构-地层整体模型，也即足尺隧道结构体系数值模型，所述足尺隧道结构体系数值模型包含隧道结构模型以及隧道周围水土体模型。
作为示例，所述隧道结构模型例如是精细化的隧道衬砌结构模型，可包括止水带、伸缩缝和嵌缝条等细部结构；所述隧道周围水土体模型例如是衬砌结构周围的水土体结构模型，涉及地层构造和地下水分布等详细地质信息。
作为示例，所述轻量化计算模块203例如可通过ABAQUS软件建立包含周围水土体的结构-地层整体模型。其中，混凝土管片采用CPE4R平面应变单元，钢筋采用T2D2杆单元，螺栓采用B21梁单元；管片接头通过设置“面-面”接触模拟管片间的接触问题，法向模型设置为硬接触，接触面摩擦模型取为“Rough”，限制接头两侧的切向错动；钢筋与管片混凝土的约束关系为“嵌入”；螺栓与管片混凝土之间的约束情况较为复杂，设置为“嵌入”约束，并根据实际情况调整接触面及相关参数。在其它示例中，当然也可以采用其他方式实现轻量化计算模块203的功能。
需要说明的是，在本实施例中，针对隧道接缝的模拟，遵循以下几个假设：认为两侧的管片为均质混凝土材料，接缝无剪切力作用；接缝中螺栓的体积较小，因此不考虑管片中螺栓孔对管片结构的削弱，同时不考虑螺栓的体积效应，认为螺栓为有一定刚度的线单元连接件；在接缝范围处，不考虑混凝土的徐变和衬砌混凝土的爆裂影响。
需要说明的是，通过所述轻量化模块203建立的含周围水土体的结构-地层整体模型，需要具备轻量化计算特性，即需要在相对较短的时间单位下输出需要的模型热力响应结果，这样才能够实现数物对象的实时数据交互和融合。
请参阅图1，所述融合控制单元300用于根据所述多场耦合边界数据，对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，同时也用于根据所述全息特征参数数据，对所述数值空间中的输入参数进行更新和调整。
在本实施例中，所述融合控制单元300通过建立求解多场热力耦合问题的参数识别和更新方法，实现数、物对象实时数据的交互和融合。在融合控制过程中，数值试验及物理试验同时开展，通过建立针对“热-力-水-汽”多场耦合问题的融合控制单元300，实时进行两个空间的数据采集和记录，并进行特征参数识别及一致性判断，实现两个***的数据交互及迭代运算，根据数值空间模拟结果，实时控制并调整物理空间的热-力-水-汽耦合边界；根据物理空间的测量数据，通过设置精度条件，不断对数值模拟过程中的输入参数(包括衬砌本构和地层特征参数、多场参数、裂纹扩展及爆裂性剥落参数等)进行更新和调整；不断重复以上过程，直至试验结束。也就是说，本实施例的融合控制单元300需要具备以下功能：适用于求解“热-力-水-汽”多场耦合问题的特征参数识别、参数一致性及敏感性判断、数据融合和模型更新以及循环迭代运算；所述融合控制单元300，可以针对物理空间实时输出更新后的多场边界加载控制策略；所述融合控制单元300，可以针对数值空间实时输出更新后的材料本构特征参数、地层特征参数、裂纹扩展及爆裂性剥落信息，并作为输入参数重新进行数值计算。
在数值空间中，由于初始的计算模型的本构参数，往往只根据经验获取，导致计算结果也与实际情况存在较大误差，另外，在火灾中，衬砌本构会存在裂纹扩展及爆裂性剥落等情况，为了数值模拟的准确性，融合控制单元300可以根据物理实验单元获取的全息特征参数数据，来对数值空间中的衬砌本构特征参数进行更新和调整、同时可对裂纹扩展及爆裂性剥落等参数进行更新和调整。具体地，结合物理空间中，基于监测的全息特征参数，可以反算出衬砌本构和地层特征参数，并作为输入参数重新进行数值计算；衬砌的本构特征参数例如可包括衬砌混凝土的弹性模量、强度等力学指标，以及导热系数，比热参数等热学指标；地层特征参数例如可包括地下结构周围水土体的内摩擦角、抗剪强度和导热系数。作为示例，特征参数如比热容、热传导系数和热膨胀系数，可以在物理试验中直接取样测定，如热传导系数通过瞬态法直接测定；而弹性模量等本构参数可以通过应力应变曲线等间接计算。
在物理空间，为了更真实的反应结构之间相互作用的内力，结构和土体之间相互作用的内力以及衬砌管片间的相对位移，融合控制单元300可以结合数值空间中获取的所述典型构件的多场耦合边界数据及构件相互作用参数数据，识别并计算得到的热-力-水-汽多场耦合边界条件，所述参数交互融合模块302控制作动器控制模块303工作，所述作动器控制模块303通过多场耦合边界加载子***对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，也即修正物理模型边界上施加的多场作用，包括外力大小和热边界等等。
如图1所示，所述融合控制单元300包括特征参数识别模块301、参数交互融合模块302以及作动器控制模块303；所述特征参数识别模块301分别与所述全息数据采集子***103及所述数值分析单元200的输出端连接，用于对接收到的数据进行参数识别；所述参数交互融合模块302与所述参数识别模块301连接，所述参数交互融合模块302利用特征参数识别模块301根据多场耦合边界数据及构件相互作用参数数据识别出的特征参数来控制作动器控制模块303工作，所述作动器控制模块303通过多场耦合边界加载子***102对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，所述参数交互融合模块302还利用特征参数识别模块301根据全息特征参数数据识别出的特征参数对所述数值空间中的输入参数进行更新和调整。
基于热-力-汽多场耦合理论可知：
(i)连续性方程，干空气的质量守恒方程：
Figure BDA0002353498530000101
(ii)焓平衡方程，多相介质***的能量守恒方程：
Figure BDA0002353498530000102
其中，
Figure BDA0002353498530000103
可利用固相与液相的连续性方程表示为：
Figure BDA0002353498530000104
(iii)动量守恒方程，根据Biot有效应力原理，固体骨架的总应力σ为：
▽(σ'-αps)＝0 (4)
其中，n为多孔介质的孔隙度；Sl为液相的饱和度；ρs、ρl、ρg、ρgw和ρga分别为固体骨架、孔隙液体、孔隙气体、水蒸气与干空气的质量密度。K为绝对渗透率张量；Krg为气相介质的相对渗透率；μg为气相介质的动力粘度；g为重力加速度张量。Ma，Mw和Mg分别为干空气、水和混合空气的摩尔质量；Deff为混合气体的有效扩散系数张量。
Figure BDA0002353498530000105
表示由于脱水而引起的固相的质量变化率；
Figure BDA0002353498530000106
表示由于蒸发而引起的液相质量变化率。Δhv和Δhd分别指水的蒸发比焓和脱水比焓；λeff为多相介质的有效热传导系数；(ρcp)eff为有效热容；cpl、cpg分别为液相和混合气体的等压比热容。α为Biot系数；ps为作用于固体骨架的流体压力张量。vgs、vls分别为气体、液体相对于固体骨架的速度。
由以上分析，不难发现用于描述软土及衬砌结构多场耦合行为的模型中待定参数很多其中，n、Sl、ρs、ρl、K、Krg、μg、(ρcp)eff、λeff、Δhv随温度场、毛细压力场、气体压力场、位移场的演变而变化，具有强非线性。
因此，融合控制单元300需要进行特征参数的敏感性、在线识别方法以及计算迭代方法融合，建立热-力-水-汽多场耦合边界条件下足尺(大比例尺)衬砌结构弹性模量、强度等关键力学参数的变化规律及计算模型，最终形成火灾高温下隧道周围软黏土热-水-汽-力多场耦合计算模型以及简化数值模型的轻量化计算方法。
需要说明的是，在本实施例中，所述融合控制单元300例如可以在C语言或Python语言环境下编程实现；所述融合控制单元300，可借助多台台式电脑或工作站联合运算，并可以提供相应的外部接口，与超算中心等外部计算平台联动运行，以提高数据处理能力。
需要说明的是，单纯的物理模型试验，往往只是对结构进行外力和热的加载，不能体现结构之间的相互作用，以及结构和土体间的相互作用，也就是“热-力-水-汽多场边界条件”不明确；而单纯的数值模拟，其初始的计算模型本构参数，往往只根据经验获取，导致计算结果也与实际情况存在较大误差，而本实施例的“融合”的过程就相当于结合两种方法的长处，弥补两种方法各自的短处，融合的过程主要是参数的判断和交互。
下面将结合图2来说明本发明的基于数物空间实时数据融合的隧道结构火灾试验方法，所述火灾试验方法包括步骤：步骤S10、选择热边界条件；步骤S20，在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件(也即图2中的关键物理子结构1,关键物理子结构N)进行全息火灾实验，以获取构件的全息特征参数数据；步骤S30、在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据；步骤S40、根据所述多场耦合边界数据，来对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，根据所述全息特征参数数据，来对所述数值空间中的输入参数进行更新和调整。
在步骤S10中，在进行隧道结构火灾试验时，需要先选择热边界条件，例如可以选择H-C或/和RABT曲线作为衬砌结构火灾热边界条件，其中H-C及RABT两种标准的火灾升温曲线分别代表了高温持久以及带有灭火降温阶段的两种典型火灾工况。
步骤S20包括，步骤S21、选取隧道结构体系中的部分或全部典型构件(包括标准块、封顶块、接头、止水条等)，并通过火灾热环境模拟子***101来对各典型构件进行火灾热环境模拟；步骤S22、通过多场耦合边界加载子***102对该典型构件进行多场耦合边界条件的加载；步骤S23、通过预设的边界控制方法(边界控制策略)来实时控制和调整多场耦合边界；以及步骤S24，通过全息数据采集子***103来实时监测并反馈典型构件(衬砌)的全息特征参数数据。
在步骤S22中，通过多场耦合边界加载子***102对该典型构件进行多场耦合边界条件的加载，以便能够在火灾模拟过程中反映了结构之间相互作用的内力，结构和土体之间相互作用的内力以及衬砌管片间的相对位移。
在步骤S23中，由于结构之间相互作用的内力，结构和土体之间相互作用的内力以及衬砌管片间的相对位移不能提前获知，需要通过数值模拟计算获取，所述多场耦合边界加载子***102需要根据数值空间的模拟结果，实时控制并调整物理空间的热力耦合边界；具体地，所述融合控制单元300根据步骤S30中获取的所述典型构件的多场耦合边界数据来控制所述多场耦合边界加载子***102进行多场耦合边界条件的加载(参见后文的步骤S42)，详细的控制过程见上文相关部分描述，在此不做赘述。
在步骤S24中，所述全息特征参数包括炉膛内温度、管片内部温度分布、管片位移、接头张角、管片的含水率、管片超声波速、管片红外热像图、裂纹扩展及爆裂性剥落等数据。
步骤S30包括，步骤S31，数值模型热边界条件的计算；步骤S32、衬砌本构和地层特征参数输入；步骤S33，基于输入的衬砌本构和地层特征参数输入建立足尺隧道结构体系数值模型(所述足尺隧道结构体系数值模型包括隧道结构模型以及隧道周围水土体模型)；步骤S34，基于特征参数的轻量化计算；以及步骤S35，多场耦合边界条件(所述多场耦合边界条件包括热-力-水-汽多场边界条件)的输出。
在步骤S31中，可以根据步骤S10中选取的热边界条件，结合实际情况中火源的位置、可燃物的种类及数量和热释放率大小等工况，运用FDS软件求解器计算火灾结构区域内作用在衬砌表面的温度场，作为数值模型的热边界条件。
在步骤S32中，在数值空间，由于初始的计算模型的本构参数，往往只根据经验获取，导致计算结果也与实际情况存在较大误差，另外，在火灾中，衬砌本构会存在裂纹扩展及爆裂性剥落等情况，为了数值模拟的准确性，需要根据物理空间的测量数据，来识别和计算出衬砌本构和地层特征参数、裂纹扩展及爆裂性剥落等参数，并作为输入参数重新进行数值计算，具体地，融合控制单元300可以根据步骤S20中获取的所述全息特征参数数据，来对所述数值空间中的衬砌本构特征参数、地层特征参数、裂纹扩展及爆裂性剥落参数进行更新和调整(参见后文的步骤S42)，从而对步骤S33中建立的足尺隧道结构体系数值模型进行更新调整，详细的控制过程见上文相关部分描述，在此不做赘述。
在步骤S33-S35中，基于输入参数(衬砌本构特征参数、地层特征参数、裂纹扩展及爆裂性剥落参数等)建立求解多场耦合隧道结构的微分方程的数值积分算法，输入到有限元软件中基于特征参数进行轻量化计算(对应步骤S34)，得出整个结构的热力响应结果(对应步骤S35)，也即得出多场耦合边界数据。
如图2所示，步骤S40包括，步骤S41，特征参数识别；步骤S42、依据步骤S41中识别的特征参数进行数据交互与信息融合，步骤S43，特征参数一致性判断及试验结果输出。
在步骤S41中，针对物理空间来说，特征参数识别也即识别热-力-水-汽多场耦合边界条件；针对数值空间来说，特征参数识别也即识别、衬砌本构特征参数、地层特征参数、裂纹扩展及爆裂性剥落参数。
在步骤S42中，所述融合控制单元300依据步骤S41中识别的热-力-水-汽多场耦合边界条件来实时控制所述多场耦合边界加载子***102进行多场耦合边界条件的加载；融合控制单元300依据步骤S41中识别的衬砌本构和地层特征参数来实时对所述数值空间中的输入参数进行更新和调整。
在步骤S43中，当试验结束后，结合的物理试验与数值模拟试验的输出结果，来体现结构体系在火灾过程中的真实响应。具体地，所述结构体系在火灾过程中的真实响应，包括物理空间中监测的炉膛内温度、管片内部温度分布、管片位移、接头张角(张开量)、管片的含水率、管片超声波速和管片红外热像图等物理表征参数；数值空间中输出的结构体系整体温度分布、管片相对位移、管片之间的相互作用内力、结构和地层间的相互作用、周围水土体中的温度场分布及内力分布等。
需要说明的是，利用本发明，可以从隧道衬砌管片的热力耦合行为入手，深刻把握火灾下考虑隧道周围地层水土压力和弹性抗力的变化作用下盾构隧道整环结构的破坏机理和模式，并建立火灾下盾构隧道整环结构的计算方法，以及定量化的火灾高温下基于地层-结构法的隧道衬砌安全评价方法。
本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，突破了传统构件试验和数值模拟的局限，创造性的将物理空间与数值空间融合在一起，可以充分体现大型复杂隧道体系在火灾火场耦合作用下的真实火灾响应；本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，能够反映隧道结构作为由多块管片构成的不连续和超静定体系的渐进性破坏过程以及在结构体系层次所表现出的力学特性、破坏模式及与地层间的相互作用；本发明的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***及方法，能为解决复杂环境下地铁及越江跨海隧道衬砌结构的防火安全问题提供理论基础和技术支撑。
在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本发明实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、***、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本发明的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明实施例的方面变模糊。
还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。
另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。
如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在…中(in)”的意思包括“在…中(in)”和“在…上(on)”。
本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明所述实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。
本文已经在总体上将***和方法描述为有助于理解本发明的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本发明实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、***、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。
因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换意在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。

Claims (7)

1.一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***，其特征在于，包括：
物理试验单元，用于在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件进行全息火灾实验，以获取构件的全息特征参数数据，其中，所述典型构件包括标准块、封顶块、接头和止水条，所述全息特征参数包括宏观力学参数、多场特征参数以及多尺度图像信息；
数值分析单元，用于在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据；
融合控制单元，用于建立多场热力耦合问题，并进行特征参数识别及一致性判断，实现所述物理空间与所述数值空间的数据交互及迭代运算，根据所述数值空间的所述多场耦合边界数据，对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，根据所述物理空间的所述全息特征参数数据，通过设置精度条件，不断对数值空间的输入参数进行更新和调整，不断重复以上过程，直至试验结束。
2.根据权利要求1所述的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***，其特征在于，所述物理试验单元包括火灾热环境模拟子***、多场耦合边界加载子***以及全息数据采集子***；所述火灾热环境模拟子***包括炉膛、燃烧器、温控箱、空气供应设备及燃气供应设备；所述多场耦合边界加载子***包括电液伺服作动器；所述全息数据采集子***包括若干测试元件以及数据采集装置。
3.根据权利要求2所述的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***，其特征在于，所述数值分析单元通过轻量化计算获取所述典型构件的多场耦合边界数据。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验***，其特征在于，所述足尺隧道结构体系数值模型包括隧道结构模型以及隧道周围水土体模型。
5.一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验方法，其特征在于，包括：
在物理空间对隧道结构体系中的若干典型构件进行全息火灾实验，以获取构件的全息特征参数数据，其中，所述典型构件包括标准块、封顶块、接头和止水条，所述所述全息特征参数包括宏观力学参数、多场特征参数以及多尺度图像信息；
在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据；
建立多场热力耦合问题，并进行特征参数识别及一致性判断，实现所述物理空间与所述数值空间的数据交互及迭代运算，根据所述数值空间的所述多场耦合边界数据，对所述物理空间的多场耦合边界进行控制和调整，根据所述物理空间的所述全息特征参数数据，通过设置精度条件，不断对数值空间的输入参数进行更新和调整，不断重复以上过程，直至试验结束。
6.根据权利要求5所述的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验方法，其特征在于，所述在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以获取所述典型构件的多场耦合边界数据的步骤包括，在数值空间建立足尺隧道结构体系数值模型，以通过轻量化计算获取所述典型构件的多场耦合边界数据。
7.根据权利要求5或6所述的数物空间实时融合的隧道结构火灾试验方法，其特征在于，所述足尺隧道结构体系数值模型包括隧道结构模型以及隧道周围水土体模型。
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