Failure and Parametric Analysis of Shield Tunnel Bolts under Impact Load

文章编号：0258-2724(2019)01-0023-10 DOI: 10.3969/j.issn.0258-2724.20160637

撞击荷载作用下盾构隧道接头螺栓

失效及参数分析

晏启祥 ，李彬嘉 ，陈　行 ，张伟列 ，邓志鑫

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031） 摘　要：为了研究高速列车脱轨撞击盾构隧道时接头螺栓参数对螺栓失效和管片的影响. 基于 ABAQUS 有限元 软件，建立了盾构隧道管片衬砌分块拼装式模型，利用时速 200 km/h 列车 12.5° 斜向撞击荷载曲线，通过设置接 触面单元和具有抗拉、抗剪、抗弯 3 种刚度组合的连接单元，近似模拟了盾构隧道接缝混凝土接触效应和螺栓连 接效应，开展了不同螺栓直径和不同螺栓强度级别下管片接头螺栓的失效研究. 研究结果表明：在列车撞击荷载 作用下，接头螺栓主要发生拉伸失效和剪切失效两种失效状态，失效后螺栓拉力和剪力降低为 0，并且螺栓失效 一般是相对列车行进方向相继出现的；拉伸失效通常出现在被撞块后端纵向螺栓，而被撞块环向螺栓和前端纵向 螺栓一般发生剪切失效；各螺栓发生失效的时间随着接头螺栓强度级别的提高或螺栓直径的增大有所延后；不同 螺栓参数下被撞块管片位移极大值均在 6 cm 左右，提高接头螺栓的强度级别和增大螺栓直径，将减小被撞块管 片最终位移较大值区域面积以及最终位移极大值的数值，但管片最终位移极大值数值的减幅在 10% 以内，说明 改变螺栓参数无法明显减小管片最终位移. 关键词：盾构隧道；列车撞击；参数分析；数值模拟；螺栓失效 中图分类号：U451.4 文献标志码：A

Failure and Parametric Analysis of

Shield Tunnel Bolts under Impact Load

YAN Qixiang, LI Binjia, CHEN Hang, ZHANG Weilie, DENG Zhixin

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China)

Abstract: In order to study the influence of bolt parameters on bolt failures and segments when a derailed

high-speed train impacts a shield tunnel，a numerical model of division assembling the segmental lining of a shield tunnel was established using the finite element software ABAQUS. The contact effect of joint concrete and the connecting effect of joint bolts were simulated approximately by the contact element and the connector element， the latter of which characterises the tensile， shear and flexural stiffness. The failure of bolts with different diameters and strengths was investigated using the impact load curve of a train with speed of 200 km/h and oblique angle of 12.5°. The results show that joint bolts mainly underwent tensile failure and shear failure，and the tension and shear forces of the bolt decreased to zero after the failure. Bolt failures generally appeared in succession according to the direction of train travel. Tensile failure usually occurred at the rear longitudinal bolt of the impacted segment，while shear failure usually occurred at the circumferential bolt and the front longitudinal bolt of the impacted segment. The failure time of the bolt was delayed as the bolt strength grade or diameter increased. The maximum displacement of the impacted segments under different bolt parameters was

收稿日期：2016-07-26 修回日期：2017-12-11 网络首发日期：2018-03-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51278425，51178400）

作者简介：晏启祥（1971—），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为隧道工程，E-mail：[email protected]

引文格式：晏启祥，李彬嘉，陈行，等. 撞击荷载作用下盾构隧道接头螺栓失效及参数分析[J]. 西南交通大学学报，2019，54(1)： 23-31,38． YAN Qixiang， LI Binjia， CHEN Hang， et al. Failure and parametric analysis of shield tunnel bolts under impact load[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2019， 54(1)： 23-31, 38．

approximately 6 cm. Increasing the strength grade and the diameter of the bolt would reduce the area and the maximum value of the final displacement of the impacted segment. However， the reduction of the maximum value of the final displacement was within 10%，which means that changing the parameters of the bolt cannot significantly reduce the final displacement of the segment.

Key words: shield tunnel; train collision; parametric analysis; numerical simulation; bolt failure

截止 2015 年底，中国高速铁路运营里程已达

1.9

万公里，运营总里程居世界第一位. 当高速列车

在行驶过程当中遭遇自然灾害或行经表面不平整的

路段时，列车发生脱轨的概率将大大增加. 近年来，

世界范围内列车脱轨事故时有发生，如 2011 年韩

国 YTN 高速铁路发生列车脱轨事故；同年中国温州

发生动车追尾脱轨事故；2015 年 11 月法国高速列

车行经法德边境的斯特拉斯堡路段时发生脱轨事

故；2016 年 6 月，由于铁路轨枕与轨道间的紧固件

发生故障，美国太平洋联合铁路公司一列油罐货运

列车在途经俄勒冈州莫锡尔时发生脱轨，导致油料

泄漏，这一事件表明，轨道设施出现的某些小故障也

可能导致列车脱轨，并引发重大公共安全事故. 上述

列车脱轨事故在造成重大的人员伤亡和财产损失的

同时，也严重威胁着铁路基础设施的安全.

盾构隧道所采用的衬砌结构一般是由接头将预

制混凝土管片连接而成，相对于现浇混凝土衬砌，其

刚度相对较小，结构体系相对脆弱. 若列车脱轨事故

发生在盾构隧道中时，剧烈的撞击可能会引起管片

混凝土变形破坏，也可能会导致接头螺栓破坏失效，

从而引发管片错动和衬砌结构失稳，威胁盾构隧道

的结构安全. 因此，研究列车脱轨撞击盾构隧道时接

头螺栓失效及其对管片的影响对于盾构隧道衬砌的

防撞设计具有重要参考意义.

目前对于盾构隧道接头螺栓研究，大多集中在

盾构隧道施工或正常运营阶段荷载作用下螺栓力学

行为和变形特性的分析

[1-4]

：在列车撞击研究方面，

田红旗等

[5-7]

通过台车碰撞试验和数值仿真对列车的

车体结构进行了耐撞性优化设计，并分析了列车车

体的变形特点和列车吸能部件的吸能效果；肖守讷

等

[8]

基于 LS-DYNA 中离散梁单元，对车辆碰撞过程

中缓冲装置在不同荷载情况下的力学特性和能量吸

收效果进行了深入分析；丁叁叁等

[9]

通过建立列车

吸能碰撞动力学模型，研究了碰撞过程中列车的吸

能特性及防爬特性，并据此探讨了主体影响因素下

防爬吸能装置的主要力学表达式；赵雅娜等

[10]

根据

高速铁路客运站房的特点，对站房薄弱部位在高速

列车脱轨撞击下的动力响应进行了研究，并提出了

列车撞击下站房结构的优化布置原则；谢素明、陈秉

智等

[11-12]

结合非线性有限元软件，通过模拟高速车

辆大变形撞击过程，评估了动车组的吸能效果和被

动安全保护性能，并对列车的耐撞性进行了优化设

计. 综上所述，以往的研究大多集中在列车安全性的

探讨以及对桥梁或其它混凝土结构物的破坏分析，

对于列车撞击盾构隧道所造成的接头螺栓失效及其

失效后带来的影响，尚未见相关的研究报道.

鉴于此，本文依托某盾构隧道工程，采用有限元

软件 ABAQUS 建立盾构隧道三维模型，通过设置具

有抗拉、抗剪、抗弯 3 种刚度，并能表征螺栓损伤失

效的连接单元来模拟螺栓连接效应. 对比分析在时

速 200 km/h 列车斜向撞击作用下，不同强度级别和

不同直径接头螺栓的失效特性及其失效后对管片位

移的影响，从而为衬砌防撞和接头螺栓优化设计提

供参考.

1 撞击动力学分析与螺栓接头模拟方法

采用 ABAQUS 中 Hilber-Hughes-Taylor 时间积

分法（H.H.T 法）分析列车撞击荷载作用下盾构隧道

的动态响应. H.H.T 法是基于最基本的 Newmark 时

间积分法推演得到，由于 H.H.T 法运用隐式算法，因

此在解决类似列车撞击管片衬砌结构的复杂非线性

动力学问题时非常有效

[13]

.

管片衬砌接头主要由接缝面混凝土和接头螺栓

构成，从结构力学角度来看，接缝面混凝土和接头螺

栓可视为管片衬砌接头的两个组成构件. 由此，若在

数值模型中采用两个构件分别模拟接缝面混凝土的

接触效应和螺栓的连接效应，则可基本表征管片衬

砌接头的抗拉、抗剪、抗弯等整体力学特性.

在 ABAQUS 软件中，管片接缝面混凝土之间的

相互作用可采用接触面单元模拟，法向设置为可传

递混凝土之间接触压力的“硬接触”，切向设置为

带有摩擦参量的“罚接触”. 接头螺栓的连接效应

可采用连接单元模拟，将连接单元两端分别与对应

的管片接缝面进行点面“耦合”以传递螺栓与管片

间的合力和合力矩. 为有效模拟螺栓的抗拉、抗剪、

抗弯刚度，连接单元采用可模拟连接节点之间任意

方向的相对平移和转动的“衬套”连接方式.

连接单元的损伤失效准则可用

图 1

所示的力

（F）-位移（U）响应本构关系加以说明，图中：E 为连

接单元弹性模量；U

I

、U

M

分别为 I 点、M 点对应的位

移；F

I

为 I 点对应的力响应. 若连接单元不发生损伤

失效，则连接响应是线弹性的，其本构关系为 O→

A

直线，若连接单元发生渐进损伤失效，则其本构关

系为折线 O→I→M；若连接单元出现瞬时完全损伤

失效，则本构关系为折线 O→I→D，即当本构关系到

达 I 点（初始损伤点）时，本构关系中的位移不再增

加，连接单元的力响应降为 0，此时连接单元发生瞬

时失效. 由于高速列车脱轨撞击速度快、能量大，本

文连接单元采用瞬时完全损伤失效的失效模式，即

当螺栓拉力或剪力中任意一个参量达到各自对应的

极限承载力时，即视为螺栓失效，在软件中，模拟该

螺栓的连接单元将被自动删除，不再承担荷载.

线弹性响应 （不考虑损伤失效） 初始损伤点 F_I UI UM U 渐进损伤失效的响应 瞬时完全损伤 失效的响应 F E O I A D M 图 1 力-位移响应本构关系

Fig. 1 Constitutive relation of force and displacement

2 列车撞击作用下盾构隧道分析模型

以某盾构隧道为工程对象，管片采用 C50 钢筋

混凝土，衬砌环内径为 9.80 m，外径为 10.80 m，厚

度为 50 cm，幅宽为 2 m. 如

图 2

所示，管片衬砌环采

用“1 + 2 + 5”分块方式，即封顶块 1 块（F） + 邻接

块 2 块 （ L1、 L2） + 标 准 块 5 块 （ B1、 B2、 B3、 B4、

B5），衬砌环连接螺栓包括 16 根环向螺栓和 15 根

纵向螺栓.

该盾构隧道所处地层为第四系上更新统 Q3 和

全新统 Q4 沉积物，主要由砂岩、风化泥质粉砂岩等

组成.

表 1

为隧道围岩和管片衬砌材料参数.

列车脱轨撞击作用下盾构隧道接头螺栓失效特

性及其影响采用 ABAQUS 软件进行分析，所建立的

数值模型见

图 3

，模型的长、宽、高分别为 80 、60、80 m.

模型边界采用无限元模拟，通过在无限单元（CIN3D8）

中嵌入分布阻尼

[14]

，近似地模拟无限域或半无限域

地基吸收边界. 围岩采用摩尔-库仑弹塑性本构关

系，隧道衬砌采用混凝土塑性损伤本构关系，围岩和

衬砌皆采用实体单元（C3D8R）模拟，螺栓采用考虑

瞬时完全损伤失效的衬套连接单元模拟. 围岩与衬

砌接触关系采用前述的接触单元，衬砌与围岩之间

以及管片与管片之间的相对摩擦系数分别取为 0.70

和 0.83

[15]

.

16.36° 49.09° 49.09° 49.09° 49.09° 49.09° 49.09° 49.09° B4 B5 L2 F L1 B1 B2 B3 纵向螺栓 管片混凝土 环向螺栓 图 2 管片衬砌环构造

Fig. 2 Schematic diagram of segmental lining ring structure 表 1 基本材料参数

Tab. 1 Basic material parameters 材料名称 _/（kg•m密度 –3） 弹性模量 /GPa 泊松比 摩擦角/（°） 内聚力/MPa 粉砂岩 2 460 19.5 0.205 38 3.75 砂岩 2 580 25.0 0.159 42 2.50 衬砌 混凝土 2 400 34.5 0.200 无限元区域 有限元区域 隧道衬砌 图 3 有限元模型 Fig. 3 Finite element model

在有效模拟被撞区域螺栓失效特性的同时，为

不因管片接缝模拟太多降低计算效率，本次分析只

对撞击目标环及其前、后两环管片进行了通缝拼装

式模拟，隧道其余管片环则基于纵向抗弯刚度等效

原则，通过弱化接头位置混凝土弹性模量的方式近

似模拟

[16]

. 为清晰展示各管片之间的相互关系，将实

际模型中纵向完全连接的管片衬砌环分隔一定距离

予以展现，三环管片衬砌及管片编号见

图 4

.

环-1 环-2 环-3 L2-3 L2-2 L2-1 F1 F2 F3 撞击点 被撞击块 L1-3 L1-2 L1-1 列车行进方向 图 4 拼装式管片模型图

Fig. 4 Model diagram of assembling segmental lining

尽管模拟螺栓的“衬套”连接方式可相对独立

地考虑螺栓抗拉、抗剪以及抗弯刚度，但由于抗弯失

效机制非常复杂，因此本文在研究螺栓失效时，仅考

虑拉伸和剪切失效. 这样，只需在软件中设置螺栓瞬

时完全损伤失效的极限拉力和极限剪力. 螺栓失效

的极限拉力和极限剪力分别为抗拉极限强度和抗剪

极限强度与螺杆有效面积的乘积.

为反映不同螺栓参数对螺栓失效特性的影响，

选取螺栓强度级别和螺栓直径作为分析对象，其中

螺栓强度级别是是国际通用的标准，相同强度等级

的螺栓，即使材料和产地有所不同，其性能仍然是相

同的，设计时按强度等级进行选用即可. 螺栓强度等

级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓材料抗拉

强度值和屈强比值. 分析工况以及相应的螺栓物理

力学参数见

表 2

.

表 2 分析工况及相应螺栓物理力学参数

Tab. 2 Analysis conditions and physical and mechanical parameters of corresponding bolts 分析 工况 型号 直径/mm 强度 级别弹性模量/GPa 泊松 比 抗拉刚度/MN 抗剪刚度/MN 抗弯刚度/（N•m2） 截面积 /mm2 抗拉极限强 度/MPa 抗剪极限强度/MPa 极限拉力/kN 极限剪力/kN 1 M24 24.0 8.8 206.0 0.3 72.7 28.0 3 353.2 353.0 800.0 586.4 282.4 207.0 2 M30 30.0 8.8 206.0 0.3 115.4 44.4 8 186.6 560.0 800.0 586.4 448.0 328.4 3 M36 36.0 8.8 206.0 0.3 168.1 64.7 16 975.7 816.0 800.0 586.4 652.8 478.5 4 M36 36.0 6.8 206.0 0.3 168.1 64.7 16 975.7 816.0 600.0 439.8 489.6 358.9 5 M36 36.0 5.6 206.0 0.3 168.1 64.7 16 975.7 816.0 500.0 336.5 408.0 299.1

目前，列车撞击荷载主要基于列车-刚性墙撞击

三维模型，通过数值模拟方法获得. 文献[

16

]给出了

不同列车编组、不同撞击速度和撞击角度下的列车

撞击力荷载时程曲线. 将文献[

16

]中时速 200 km/h

列车 12.5° 斜向撞击力荷载沿隧道横向（X）、轴向

（Y）、竖直（Z）3 个方向分解，如

图 5

所示，并将分力

按实际撞击位置和作用范围以平均面力的近似形式

施加在管片衬砌内侧，即可开展列车脱轨撞击作用

下管片接头螺栓失效特性分析.

3 结果分析

在高速列车脱轨撞击作用下，被撞块（F2）直接

承受撞击荷载，为揭示接头螺栓参数对螺栓失效及

管片位移的影响，以与被撞块相连的 6 根螺栓为分

析对象，其位置及编号如

图 6

所示.

3.1 不同直径螺栓失效研究

图 7

和

图 8

为 3 种不同直径（24、30、36 mm）

的 8.8 级连接螺栓在列车撞击荷载作用下的拉力和

剪力时程曲线. 通过对比工况 1、2、3 可分析螺栓直

径变化对螺栓受力以及失效的影响.

图 7

和

图 8

可见，3 种工况下，与被撞块相连的

6

根螺栓均发生了失效，在螺栓失效瞬间，拉力和剪

力都降为 0，而后不再承受任何荷载. 由于不同直径

螺栓的极限拉力和极限剪力及其抗拉、抗剪刚度不

同，所以同一位置螺栓在上述 3 种不同工况下的拉

力和剪力时程曲线呈现出不同的变化规律，且发生

0 5 10 15 20 25 30 35 0 3 6 9 12 15 18 X Y Z 时间/ms 撞 击 力 /M N 图 5 撞击力时程曲线（200 km/h、12.5°） Fig. 5 Time-history curves of impact force

失效的时间也存在差别. 图中螺栓 C、D 在整个撞击

过程中的拉力始终为 0，表明其在失效前所在位置

混凝土接缝面一直处于受压状态.

A B C D F E L2-1 L2-2 L2-3 F1 F2 F3 L1-1 L1-2 L1-3 列车行进方向 图 6 被撞块周边螺栓位置及编号 Fig. 6 Positions and numbers of the surrounding bolts

connected to the impacted segment

若将螺栓失效类型分为拉伸失效和剪切失效，

则可整理出 3 种工况下 6 根螺栓的失效情况统计

表，如

表 3

所示，主要包括失效类型、失效时间以及

失效次序. 从

表 3

可见，在列车撞击荷载作用下，

3

种工况下螺栓 A 均发生拉伸失效，而螺栓 B、C、

D、E、F 均发生剪切失效，表明增大螺栓直径不会改

变失效类型. 失效类型主要受螺栓位置决定，结合

图 6

中被撞块螺栓位置图可知，相对列车行进方向，

与被撞击管片后端相连的纵向螺栓将出现拉伸失

效，而被撞击管片前端纵向螺栓以及环向螺栓皆出

现剪切失效. 螺栓 A、B、C、E、F 在撞击开始后的 3.59～

6.14 ms

时间范围内发生失效，而螺栓 D 在 14.28～

15.45 ms

时间范围内发生失效，说明被撞块螺栓前

端的纵向螺栓失效时刻相对环向和后端的纵向螺栓

有所滞后. 同一位置螺栓出现失效的时间随着螺栓

直径的增大有所延后，其中，M24 螺栓最先发生失

效，M36 螺栓最后发生失效，而 M30 螺栓发生失效

的时间介于二者之间.

从

表 3

中失效次序统计可见，与被撞块相连的

6

根螺栓在 3 种工况下的失效次序一致，螺栓 A 最

先发生失效，然后螺栓 E、B、F、C、D 相继发生失效，

结合

图 6

中螺栓位置图可见，6 根螺栓大致沿列车

行进方向相继出现失效.

3.2 不同强度级别螺栓失效研究

图 9

和

图 10

为 3 种 不 同 强 度 级 别 （ 5.6 级 、

0 1 2 3 4 5 30 35 0 100 200 300 400 500 600 700 拉力 /kN 时间/ms (a)螺栓 A 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 20 40 60 80 100 拉力 /kN (b)螺栓 B 时间/ms 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 35 0 20 40 60 80 100 拉力 /kN (c)螺栓 C 时间/ms 0 5 10 15 30 35 0 20 40 60 80 100 拉力 /kN 时间/ms (d)螺栓 D 20 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 拉力 /kN 时间/ms (e)螺栓 E 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 35 0 20 40 60 80 100 拉力 /kN (f)螺栓 F 时间/ms M24 M30 M36 图 7 8.8 级螺栓在不同直径下的拉力时程曲线

6.8

级、8.8 级）的 M36 连接螺栓在列车撞击作用下

的拉力、剪力时程曲线. 对比工况 3、4、5 计算结果可

分析，列车撞击作用下螺栓强度级别的变化对螺栓

受力以及失效的影响.

从

图 9

和

图 10

可见，撞击荷载作用下，与被撞

块相连的 6 根不同强度级别螺栓均发生失效，且

3

种工况下同一位置螺栓的失效类型一致. 由于螺

栓直径和弹性模量相同，在弹性范围内螺栓的抗拉、

抗弯、抗剪刚度一致，所以同一位置不同级别螺栓从

撞击开始到发生失效时的拉力和剪力时程曲线互相

重合. 因为不同强度级别螺栓的极限拉力和极限剪

力不同，所以 3 种工况下同位置螺栓发生失效时所

对应的极限承载力以及出现失效的时间也不一致.

螺栓 C、D 失效前所在位置混凝土接缝面处于受压

状态，剪切失效后不再承担荷载，所以两根螺栓在整

个撞击过程中拉力始终为 0.

依据

图 7

～

10

中螺栓拉力、剪力时程曲线，

表 4

列出了 6 根螺栓在相同直径不同强度级别下的失效

情况，包括失效类型、失效时间以及失效次序.

由

表 4

可知：螺栓在相同直径不同强度级别下

的失效类型和失效次序与

表 3

中相同强度不同螺栓

直径下同位置螺栓一致，被撞击管片后端的纵向螺

栓为拉伸失效，其余螺栓皆为剪切失效；6 根螺栓的

失效大致是按照沿列车行进方向相继进行的，其中

表 3 8.8 级螺栓在不同直径下的失效情况

Tab. 3 Failure conditions for 8.8-grade bolts with different diameters

螺栓编号 失效类型 失效时间/ms 失效次序 M24 M30 M36 M24 M30 M36 M24 M30 M36 A 拉伸 拉伸 拉伸 3.59 3.85 4.02 1 1 1 B 剪切 剪切 剪切 4.60 4.75 4.85 3 3 3 C 剪切 剪切 剪切 5.60 5.84 6.14 5 5 5 D 剪切 剪切 剪切 14.28 14.8 15.45 6 6 6 E 剪切 剪切 剪切 4.42 4.53 4.68 2 2 2 F 剪切 剪切 剪切 5.49 5.71 6.01 4 4 4 0 1 2 3 4 5 30 35 0 20 40 60 80 100 剪力 /kN (a)螺栓 A 时间/ms 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 600 700 剪力 /kN 时间/ms (b)螺栓 B 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 600 700 剪力 /kN 时间/ms (c)螺栓 C 7 8 9 0 5 10 15 30 35 0 100 200 300 400 500 600 700 剪力 /kN 时间/ms (d)螺栓 D 20 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (e)螺栓 E 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (f)螺栓 F 7 8 9 M24 M30 M36 图 8 8.8 级螺栓在不同直径下的剪力时程曲线

螺栓 A 最先发生拉伸失效，而后螺栓 E、B、F、C、

D

相继发生剪切失效；随着螺栓强度级别的提高，同

位置螺栓失效时间有所延后，其中 5.6 级螺栓最先

发生失效，8.8 级螺栓最后发生失效，6.8 级螺栓失效

0 1 2 3 4 5 30 35 0 100 200 300 400 500 600 700 拉力 /kN 时间/ms (a)螺栓 A 0 1 2 3 4 5 30 35 0 50 100 150 200 拉力 /kN (b)螺栓 B 时间/ms 0 1 2 3 4 5 6 7 30 35 0 50 100 150 200 拉力 /kN (c)螺栓 C 时间/ms 0 1 2 3 4 5 6 7 30 35 0 50 100 150 200 拉力 /kN (d)螺栓 D 时间/ms 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 50 100 150 200 拉力 /kN (e)螺栓 E 时间/ms 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 50 100 150 200 拉力 /kN (f)螺栓 F 时间/ms 5.6 级 6.8 级 8.8 级 图 9 M36 螺栓在不同强度级别下的拉力时程曲线

Fig. 9 Time history curves of tensile force for M36 bolts with different strength grades

0 1 2 3 4 5 30 35 0 20 40 60 80 100 剪力 /kN (a)螺栓 A 时间/ms 0 1 2 3 4 5 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (b)螺栓 B 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (c)螺栓 C 7 0 2 4 6 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (d)螺栓 D 8 10 12 14 16 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (e)螺栓 E 0 1 2 3 4 5 6 30 35 0 100 200 300 400 500 剪力 /kN 时间/ms (f)螺栓 F 5.6 级 6.8 级 8.8 级 图 10 M36 螺栓在不同强度级别下的剪力时程曲线

时间介于两者之间.

3.3 螺栓参数对管片位移的影响

为揭示列车撞击作用下接头螺栓不同参数对管

片位移的影响，提取不同螺栓参数下被撞块管片最

终位移云图，如

图 11

和

图 12

所示.

从

图 11

和

图 12

可见，相对于列车行进方向，被

撞块位移较大值主要集中在被撞块后方区域，不同

螺栓参数下被撞块管片位移极大值均在 6 cm 左右.

由于在撞击过程中，不同参数螺栓的受力和失效时

间不同，导致被撞块管片位移分布有一定差别，即随

着螺栓强度级别和螺栓直径的提高，被撞块管片最

终位移较大值区域的分布范围均有一定程度减小.

位移/cm +6.859 +6.387 +5.815 +5.444 +5.072 +4.701 +4.229 +3.858 +3.386 +2.715 +2.243 +1.715 +1.320 位移/cm +6.612 +6.261 +5.710 +5.459 +5.008 +4.657 +4.106 +3.655 +3.204 +2.553 +2.102 +1.510 +1.162 位移/cm +6.206 +5.790 +5.374 +4.858 +4.442 +4.026 +3.590 +3.193 +2.772 +2.361 +1.945 +1.442 +1.012 (a)5.6 级 (b)6.8 级 (c)8.8 级 图 11 不同螺栓强度级别下管片最终位移

Fig. 11 Final displacement of the segment under different bolt strength grades

位移/cm +6.794 +6.328 +5.962 +5.596 +5.129 +4.763 +4.297 +3.731 +3.265 +2.699 +2.132 +1.662 +1.257 位移/cm +6.428 +6.003 +5.657 +5.221 +4.785 +4.350 +3.914 +3.478 +3.043 +2.607 +2.101 +1.557 +1.103 位移/cm +6.206 +5.790 +5.374 +4.858 +4.442 +4.026 +3.590 +3.193 +2.772 +2.361 +1.945 +1.442 +1.012 (a)M24 (b)M30 (c)M36 图 12 不同螺栓直径下管片最终位移

Fig. 12 Final displacement of the segment under different bolt diameters

不同螺栓参数下被撞块位移极大值及其相对变

化率如

表 5

所示. 由

表 5

可见，随着螺栓强度级别的

提高和直径的增大，被撞块管片最终位移极大值均

有一定程度减小. 相对于 M24 直径和强度 5.6 级的

螺栓而言，被撞块管片位移极大值的变化率在–10%

以内. 在列车撞击荷载作用下，改变螺栓参数并不能

明显减小管片最终位移.

表 5 不同螺栓参数下管片最终位移极大值及变化率 Tab. 5 Maximum value and change rate of final

displacement of the segment under different bolt parameters 项目 强度级别 直径型号 5.6级 6.8 级 8.8 级 M24 M30 M36 位移极值/cm 6.86 6.61 6.21 6.79 6.43 6.21 相对变化率/% 0 –3.6 –9.5 0 –5.3 –8.5 表 4 M36 螺栓在不同强度级别下的失效情况

Tab. 4 Failure conditions for M36 bolts with different strength grades

螺栓编号 失效类型 失效时间/ms 失效次序 5.6级 6.8级 8.8级 5.6级 6.8级 8.8级 5.6级 6.8级 8.8级 A 拉伸 拉伸 拉伸 3.46 3.67 4.02 1 1 1 B 剪切 剪切 剪切 4.47 4.61 4.85 3 3 3 C 剪切 剪切 剪切 5.36 5.63 6.14 5 5 5 D 剪切 剪切 剪切 13.96 14.48 15.45 6 6 6 E 剪切 剪切 剪切 4.29 4.43 4.68 2 2 2 F 剪切 剪切 剪切 5.27 5.51 6.01 4 4 4

4 结　论

建立了考虑分块和衬砌接头的盾构隧道结构模

型，利用高速列车脱轨撞击荷载曲线和接头螺栓连

接单元瞬时失效准则，实施了列车撞击盾构隧道动

力学分析，对比分析了列车撞击荷载作用下不同强

度级别以及不同直径接头螺栓的失效特性及其影

响，得到了以下主要结论：

（1） 通过设置连接单元和接触面单元分别模拟

盾构隧道接头螺栓和混凝土端面，从而以构件形式

实现了螺栓连接效应和接缝面混凝土接触效应的模

拟；连接单元通过点面“耦合”方式传递螺栓与管

片间的合力和合力矩，能反映连接节点之间在任意

方向的相对平移和转动，从而实现了接头螺栓抗拉

和抗剪刚度的模拟.

（2） 列车脱轨撞击荷载作用下，与被撞块相连

的所有螺栓都将失效，失效后螺栓所承受的荷载降

低为 0，同一位置螺栓直径和强度的变化不会改变

螺栓的失效类型和失效次序. 螺栓的失效一般是相

对于列车行进方向相继进行的.

（3） 与被撞块相连螺栓的失效类型包括拉伸失

效和剪切失效. 相对于列车行进方向，与被撞块管片

纵向连接的后方螺栓将发生拉伸失效，而环向螺栓

和前方的纵向螺栓将发生剪切失效.

（4） 相同强度级别下，同一位置螺栓在不同螺

栓直径下的拉力和剪力时程曲线呈现出不同的变化

规律，失效前曲线不重合；相同螺栓直径下，同一位

置螺栓在不同强度等级下的拉力和剪力时程曲线呈

现出近似的变化规律，且在失效前曲线重合.

（5） 在列车撞击荷载作用下，无论是不同螺栓

强度还是不同螺栓直径，螺栓失效时的极限承载力

和失效时间均有所差别；与被撞块相连各螺栓发生

失效的时间均随着接头螺栓强度级别的提高或螺栓

直径的增大有所延后.

（6） 相对于列车行进方向，被撞块最终位移较

大值主要分布在被撞块后方，且管片最终位移极大

值均在 6 cm 左右；随着接头螺栓强度级别的提高和

螺栓直径的增大，被撞块管片最终位移较大值分布

区域和最终位移极大值有所减小，但减幅在 10% 以

内，螺栓参数的改变对于控制管片最终位移的效果

并不明显.

致谢：铁四院科技研究开发计划（2016K86）.

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