• ISSN 0258-2724
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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

晏启祥, 李彬嘉, 陈行, 张伟列, 邓志鑫. 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. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20160637
引用本文: 晏启祥, 李彬嘉, 陈行, 张伟列, 邓志鑫. 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. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20160637
YAN Qixiang, LI Binjia, CHEN Hang, ZHANG Weilie, DENG Zhixin. Failure and Parametric Analysis of Shield Tunnel Bolts under Impact Load[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(1): 23-31, 38. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20160637
Citation: YAN Qixiang, LI Binjia, CHEN Hang, ZHANG Weilie, DENG Zhixin. Failure and Parametric Analysis of Shield Tunnel Bolts under Impact Load[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(1): 23-31, 38. 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

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20160637
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51278425,51178400)
详细信息
    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: 764365015@qq.com

  • 中图分类号: U451.4

Failure and Parametric Analysis of Shield Tunnel Bolts under Impact Load

  • 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.

     

  • 图 1  力-位移响应本构关系

    Figure 1.  Constitutive relation of force and displacement

    图 2  管片衬砌环构造

    Figure 2.  Schematic diagram of segmental lining ring structure

    图 3  有限元模型

    Figure 3.  Finite element model

    图 4  拼装式管片模型图

    Figure 4.  Model diagram of assembling segmental lining

    图 5  撞击力时程曲线(200 km/h、12.5°)

    Figure 5.  Time-history curves of impact force(200 km/h,12.5°)

    图 7  8.8级螺栓在不同直径下的拉力时程曲线

    Figure 7.  Time-history curves of tensile force for 8.8-grade bolts with different diameters

    图 8  8.8级螺栓在不同直径下的剪力时程曲线

    Figure 8.  Time-history curves of shear force for 8.8-grade bolts with different diameters

    图 6  被撞块周边螺栓位置及编号

    Figure 6.  Positions and numbers of the surrounding bolts connected to the impacted segment

    图 9  M36螺栓在不同强度级别下的拉力时程曲线

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

    图 10  M36螺栓在不同强度级别下的剪力时程曲线

    Figure 10.  Time history curves of shear force for M36 bolts with different strength grades

    图 11  不同螺栓强度级别下管片最终位移

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

    图 12  不同螺栓直径下管片最终位移

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

    表  1  基本材料参数

    Table  1.   Basic material parameters

    材料名称 密度/(kg•m–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
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    表  2  分析工况及相应螺栓物理力学参数

    Table  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
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    表  3  8.8级螺栓在不同直径下的失效情况

    Table  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
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    表  4  M36螺栓在不同强度级别下的失效情况

    Table  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
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    表  5  不同螺栓参数下管片最终位移极大值及变化率

    Table  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
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-07-26
  • 修回日期:  2017-12-11
  • 网络出版日期:  2018-03-06
  • 刊出日期:  2019-02-01

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