[发明专利]一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验系统及方法

说明书

本发明提供一种数物空间实时融合的隧道结构火灾试验系统及方法，所述火灾实验系统包括物理试验单元，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。

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系统及方法。

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系统及方法，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系统，所述火灾试验系统包括：

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系统、多场耦合边界加载子系统以及全息数据采集子系统。

在一实施例中，所述火灾热环境模拟子系统包括所述火灾热环境模拟子系统包括炉膛、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。