《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Experimental apparatus and mechanical properties of shield tunnel segment joint under cyclic bending moment
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盾构隧道接缝在循环弯矩荷载下的力学行为研究。开发双向循环加载装置，揭示接缝非延性破坏模式（正弯矩方向混凝土面层剥落）、四阶段响应特征（弹性、屈服、完全屈服、塑性失效）、刚度退化与耗能能力下降规律，延性系数仅1.22。
Jiasuo Qi|徐赵|黄静琪|M. Hesham El Naggar|杜秀丽|赵米|赵向辉
北京城市地下空间工程重点实验室，北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083，中国
摘要
研究盾构隧道节段接头在循环荷载作用下的力学行为对于其抗震性能设计具有重要意义。然而，这一领域的相关研究仍然相对较少。在本研究中，开发了一种循环荷载装置，用于研究盾构隧道节段接头在循环弯矩作用下的力学行为。该装置能够对厚度在300毫米到600毫米之间的节段接头施加正负弯矩循环荷载，而以往的相关装置仅能施加单向弯矩荷载。利用所开发的循环荷载装置对节段接头进行了准静态试验，以研究其循环力学性能，包括破坏模式、滞回行为、骨架曲线、刚度退化以及能量耗散能力。试验结果表明：1) 节段接头在正弯矩循环荷载作用下发生非韧性破坏，主要破坏现象是接头处的混凝土盖板剥落；螺栓承受的是拉压组合应力，而非单纯的拉应力或压应力。2) 根据关键试验现象，节段接头的响应可以分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、完全屈服阶段和塑性破坏阶段。3) 随着接头旋转角度的增加，能量耗散效率和等效阻尼比逐渐降低，导致抗震性能下降。此外，节段接头的破坏特性表现出非韧性行为，其韧性系数仅为1.22。本研究设计的循环荷载试验装置可为类似结构的动态循环试验提供参考；同时，从该研究中获得的节段接头动态特性可为盾构隧道的抗震设计提供依据。
引言
随着人口快速增长和城市扩张，城市面临土地短缺和生产空间有限等挑战。盾构隧道越来越多地被用于整合多功能城市交通系统（Yu等人，2016年；Lu和Wang，2018年）。盾构隧道的衬砌是一种圆形结构，通过交错接头技术将节段组装而成，节段端部的接头部分是衬砌的力学薄弱区域（Huang等人，2022年；Zhang等人，2025年；Fabozzi和Bilotta，2016年；Liu等人，2022年；Jiao等人，2021年；Xu等人，2025年；Jiao等人，2025年）。在地震荷载作用下，盾构隧道通常会出现剪切破坏、节段错位、接头分离导致漏水、混凝土剥落和开裂（Billings，1995年；Iwatate，1996年；Tani等人，2010年；Iervolino等人，2016年；Bowers和Moss，2018年）。研究表明，节段接头是隧道衬砌中抗震性能最脆弱的组成部分（Tsinidis等人，2016年）。地震会引起循环荷载条件，这可能对地下结构造成累积性动态损伤。因此，研究盾构隧道节段接头在循环荷载作用下的动态行为具有重要的研究意义。
接头强度决定了盾构隧道结构的整体完整性。明确节段接头的破坏机制对于理解其承载行为至关重要。与数值模拟不同，物理实验能够更准确、直观地展示节段的实际行为。目前对节段接头进行了大量静态试验。Supot和Tanan（2010年）对节段接头进行了模型试验，发现节段接头的最大弯矩低于连续衬砌。这种降低可以通过弯矩降低系数来量化，该系数是接头刚度和节段数量的函数。Andreotti等人（2020年）对节段接头进行了正负弯矩加载试验，结果表明接头旋转刚度取决于弯矩大小和轴向荷载水平。Yan等人（2016年）对普通钢筋混凝土（RC）节段和混合纤维增强隧道接头在火灾条件下的行为进行了实验研究，考虑了不同的力学荷载和边界条件。Zhou等人（2022年）制备了两种不同连接板的节段接头，并通过全尺寸下沉和拱形弯曲试验分析了连接板刚度对节段接头力学性能的影响。Shen等人（2021年）基于通用平面节点模型推导出了改进的半解析热力学模型。Li等人（2015年）对上海地铁13号线的节段进行了全尺寸持续荷载试验，直至其完全破坏。Wang等人（2021年）利用自主研发的加载装置分析了大截面盾构隧道中带直螺栓的径向接头的力学性能和破坏过程。Zhang等人（2021年）开发了一种专用加载装置，能够在节段接头处保持纯弯曲条件。通过正负弯矩下的破坏试验，他们研究了在高轴向压缩作用下的接头损伤情况。研究表明，节段宽度上的损伤主要集中在螺栓位置附近。目前大多数实验模型能够捕捉节段接头的单调行为，这可用于研究结构在静力作用下的力学响应。然而，盾构隧道实际观察到的损伤表明不同区域承受的动态荷载程度不同，仅用单向加载难以模拟实际的损伤累积过程（Andreotti和Lai，2019年；Nishant和Kumar，2025年）。因此，现有的实验未能准确捕捉节段接头中的累积损伤效应。目前针对节段接头的模型试验仍不足以分析其动态特性，从而限制了基于证据的抗震设计建议的提出。
在抗震性能研究中，结构动态试验可以有效模拟结构在地震荷载作用下的累积损伤效应（Shalabi等人，2012年；Xiao等人，2017年；Andreotti等人，2020年）。然而，由于实验装置的复杂性、高成本和较长的试验时间，这些方法难以在各种结构的系统研究中得到广泛应用。作为一种简化且有效的替代方法，准静态试验已被广泛用于评估结构在循环荷载作用下的滞回行为、能量耗散能力和破坏机制（Gupta等人，2025年；Abdellatif等人，2025年）。为了研究接头的动态性能，可以参考桥梁（Rodríguez等人，2024年）、剪力墙（Al-Ahdal等人，2025年）和复合结构（Ibrahim等人，2023年）的准静态循环试验。现有的节段接头加载装置无法对接头施加正负弯矩循环荷载（Molins等人，2011年；Abbas等人，2014年；Caratelli等人，2011年；Ding等人，2017年；Feng等人，2018年；Nehdi等人，2015年；Jin等人，2017年；Liu等人，2018年）。因此，迫切需要设计一种能够进行弯矩循环加载试验的专用加载装置。这样的系统将有助于系统地研究节段接头的抗震性能。
为了研究盾构隧道节段接头的抗震性能，本研究开发了一种新型实验装置，能够施加正负循环弯矩。与以往的装置相比，新装置不仅可以双向加载，还能克服加载过程中的虚拟位移问题。此外，新装置适用于不同厚度的节段，使得参数分析更加方便。采用准静态循环加载试验来模拟节段接头的地震效应。这种方法选择基于该研究领域的固有优势：首先，准静态试验能够精确、分阶段观察和控制复杂的结构行为，如接头的逐步开启、混凝土开裂以及螺栓的屈服过程；其次，这种方法使研究人员能够专注于接头的力学行为，特别是抗震性能指标，如滞回特性、刚度退化和能量耗散能力。为填补理解盾构隧道节段接头在真实双向循环荷载作用下的抗震性能的关键研究空白，本研究做出了以下贡献：（1）介绍了专门设计的用于施加循环弯矩的实验装置；（2）利用该装置，对全尺寸节段接头在循环弯曲作用下的滞回行为、破坏机制、刚度退化和能量耗散能力进行了全面分析；（3）研究结果提供了新的力学见解，定量表明节段接头在正弯矩方向上表现出明显的挤压和突然的非韧性破坏，连接螺栓承受的拉压组合应力状态与简化模型中常用的纯拉应力假设有显著差异。
装置的技术要求
现有的节段接头弯曲试验装置主要用于单向静态加载条件。如图1所示，这些装置的主要组成部分是垂直加载系统和节段底座连接装置。
底座连接装置：Feng等人（2018年）开发了一种正弯矩实验装置，由两个三角形钢板焊接在一块平板上组成。Andreotti等人（2020年）对正弯矩进行了加载试验
试验样品
盾构隧道节段环结构通常包括一个关键节段、两个B型相邻节段和三个A型标准节段（Yan等人，2016年；Qi等人，2024年；Rauch等人，2024年；Zhou等人，2025年）。由于所有类型的节段（关键块除外）尺寸相同，因此使用相邻的标准节段B进行力学性能测试。试验所需的节段由标准节段制造商提供。节段的外径为6000毫米
破坏过程和模式
节段接头的破坏过程和模式可以通过基本的循环加载实验现象来反映。具体的试验过程和观察现象如图10所示。
图10展示了盾构节段在循环时间N=0、13、19、27、29和31时的状态。这些循环时间对应的峰值加载位移分别为0毫米、7毫米、10毫米、14毫米、15毫米和19毫米。在试验的初始阶段
结论
本研究开发了一种循环加载装置，能够对厚度在300毫米到600毫米之间的节段接头施加正负弯矩，而以往的相关装置仅能施加单向弯矩。该装置可用于研究盾构隧道节段接头在循环弯矩作用下的力学行为。所开发的装置解决了传统单向加载的两个关键限制
作者贡献声明
Jiasuo Qi：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件开发、方法论、数据分析、概念化。Xu Zhao：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、数据分析、概念化。Jingqi Huang：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念化。M. Hesham El Naggar：撰写——初稿、监督、资金提供
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了北京自然科学基金一般项目（8252012）、国家自然科学基金（52378475）和自然关键研发计划（2024YFF0508203）的支持。对此表示衷心的感谢。
