关于新型波纹钢板-模袋混凝土复合接头在隧道支护中抗弯性能的实验与参数研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Experimental and parametric study on the flexural behavior of novel corrugated steel plate–mold bag concrete composite joints for tunnel support

波纹钢板连接因抗弯刚度不足易导致失效，研究通过全尺寸弯曲试验和数值模拟，系统揭示了波纹钢板-模具袋混凝土（CSPM）及肋板增强型（RCSPM）连接的承载机制与失效规律，量化分析了钢板厚度、肋板厚度和轴力的影响，发现CSPM和RCSPM的极限承载力分别提高63.3%和124.5%，模具袋混凝土实现均匀荷载传递，肋板形成刚性-柔性协同强化机制，混凝土强度提升对整体刚度影响较小，推荐参数为波纹钢板厚度7-8mm，肋板厚度10-15mm，轴力预载150-200kN。

　　

李鹏飞|刘帅磊|陶永利|黄正东|张家龙

教育部城市安全与灾害工程重点实验室，北京工业大学，北京100124，中国

摘要

为了解决隧道支护工程中波纹钢板法兰接头因弯曲刚度不足而导致的承载失效问题，对三种类型的接头试件进行了全尺寸弯曲试验：纯波纹钢板（CSP）、波纹钢板-模袋混凝土（CSPM）和带肋波纹钢板-模袋混凝土（RCSPM）。结合数值模拟，揭示了新型波纹钢板-模袋混凝土接头的承载机制和失效规律，并定量分析了波纹钢板厚度、肋板厚度和轴向力对其弯曲性能的影响。结果表明，与纯波纹钢板接头相比，波纹钢板-模袋混凝土和带肋波纹钢板-模袋混凝土接头的极限承载能力分别提高了63.3%和124.5%。所有三种接头的失效模式都由波纹钢板的峰值压缩屈曲控制，谷部的拉伸应变未达到屈服；模袋混凝土实现了均匀的荷载传递，肋板通过抑制波纹钢板的波峰屈曲形成了刚柔协同的加固机制，提高了接头的力学性能；混凝土强度的提高对整体刚度影响较小，而波纹钢板厚度和肋板厚度对刚度的控制具有“边际效益下降”的特点。综合考虑承载能力和工程可行性，推荐的新接头核心参数为波纹钢板厚度7毫米-8毫米、肋板厚度10毫米-15毫米以及轴向预载150千牛-200千牛。

引言

地下工程支护是确保隧道开挖和长期运营安全的核心环节，特别是在城市地铁站导洞和隧道涵洞等复杂环境中。支护系统必须平衡核心要求，包括施工效率、承载可靠性和变形控制精度（Jiang等人，2025年；Li等人，2025年）。长期以来，作为传统的隧道支护技术，喷射混凝土通过紧密贴合围岩发挥了支撑作用。然而，它存在一些工程缺陷：一方面，喷射混凝土过程中的回弹率高达20%～25%，导致材料浪费，并且由于回弹容易使支护层厚度不均匀，影响结构承载能力（Armengaud等人，2017年；Pan等人，2019年）；另一方面，现场浇筑施工周期较长，难以适应城市地下工程的快速建设，减少对地面交通的干扰，并且在富水层或松散围岩中容易出现浆液泄漏、支护层开裂等问题，增加项目成本和施工复杂性（Hammer等人，2020年；Garba等人，2024年；Neuner等人，2017年）。

为了克服传统喷射混凝土支护的局限性，波纹钢板（CSP）支护作为一种替代方案应运而生，因为它在预制施工方面比传统混凝土支护更高效，并且具有更强的适应性（Lang等人，2025年）。此外，其轻量化设计使其能够适应地下导洞的狭小施工空间，其波纹结构通过应力重分布分散了地压（Sun等人，2023年），在隧道支护中表现出优异的地面适应性（Zhao等人，2023b；Yang等人，2025年；Che等人，2021年）。

然而，随着应用场景扩展到大跨度、高荷载环境，波纹钢板支护系统的力学局限性日益明显。作为一种柔性薄壁构件，其弯曲刚度相对较低。当开挖面跨度较大时，结构容易产生过大的中跨挠度，通常需要依赖高强度临时支护来保持成型质量（Sun等人，2022年；Wang等人，2019年）；其次，结构的不连续性决定了接头是整个支护系统的薄弱环节。荷载在峰部和谷部区域高度集中。作为相邻段之间的力传递枢纽，法兰接头容易发生峰值屈曲、法兰板变形或连接螺栓的剪切失效（Zhang等人，2023a；Bi和Yang，2024年）。受此限制，目前的纯波纹钢板结构主要应用于浅埋或小规模项目，如地铁导洞（Qin等人，2025a）、隧道局部加固（Qin等人，2025b）和小截面竖井，难以在复杂的深埋环境中独立承担支护任务。作为预制支护结构的“阿喀琉斯之踵”，其力学性能直接决定了整个结构的刚度和安全性。在盾构隧道领域，关于接头力学行为的研究相对成熟。Zhang等人和Ding等人通过分析接头旋转刚度与螺栓预载之间的非线性关系，揭示了螺栓剪切、接头开口和边缘压碎的主要失效模式，并提出了添加榫槽和优化螺栓布置等加固策略（Zhang和Zhao，2024年；Ding等人，2020b）。对于钢-混凝土复合段，研究主要集中在使用剪键来增强界面粘结并提高弯曲刚度和延性（Zhang等人，2019年）。然而，关于柔性波纹钢结构接头的研究仍然相对不足。现有研究主要关注纯波纹钢板搭接接头的抗压弯曲协同性能，并报告波峰局部屈曲是主导的失效模式（Zhao等人，2023a）。一些学者通过在法兰接头处添加加劲件来减轻屈曲行为并提高接头的初始刚度（Zhang等人，2023b；Liu等人，2020年；Liao等人，2024年）。尽管这些措施在一定程度上改善了应力性能，但仅通过优化钢结构难以克服整体不稳定性问题。迫切需要引入新的结构介质来改变其应力机制。

基于上述背景，将模袋混凝土技术集成到波纹钢板支护系统中，构建“钢-混凝土复合支护结构”成为解决上述矛盾的创新方法（Huang等人，2024年；Li等人，2023年）。高流动性混凝土包裹在高强度聚丙烯短纤维针刺土工布中，模袋的柔性约束解决了回弹和浆液泄漏问题。在该系统中，波纹钢板和模袋形成了“刚柔结合”的协同机制。模袋混凝土填充在波纹腔和背面间隙中，提供了强大的径向支撑刚度，有效限制了钢板的局部屈曲。Huang等人对波纹钢板-模袋混凝土（CSP-MBC）复合支护结构进行了全尺寸试验，并分析了其结构承载能力、变形行为和复合效应。他们成功将其应用于圆形竖井开挖的支护（Huang等人，2026年）。Shan等人基于模袋混凝土的施工便利性设计了一种新型内部支护节点（模袋混凝土夹节点），并将其与传统钢支护节点结合。他们讨论了其结构特性和工作机制，分析了其失效模式和力学性能，并扩展了模袋混凝土的应用场景（Shan等人，2025年；Zhang等人，2024年）。尽管波纹钢板-模袋混凝土复合技术在工程应用中显示出巨大潜力，但在其接头方面的理论研究仍存在不足，主要体现在以下几个方面：首先，界面协调机制不明确。与传统钢-混凝土复合结构不同，该接头涉及钢板、螺栓和混凝土的相互作用。其次，失效模式尚不清楚。大多数现有研究基于纯钢板接头或传统钢-混凝土接头。对于以螺栓剪切、混凝土压碎或钢板屈曲为主的接头，缺乏引入模袋混凝土后的全尺寸试验的实证数据（Wardenier等人，2017年）。第三是缺乏设计理论。目前，组合支护设计通常简单地将两种承载能力叠加，忽略了接头非线性刚度对整体内力分布的影响，以及缺乏对肋板和模袋混凝土协同工作优化参数的研究。

鉴于此，本研究以北京某导洞支护工程为背景，采用全尺寸试验和数值模拟的研究方法，对CSP、CSPM、RCSPM三种接头进行了力学性能测试，揭示了模袋混凝土和肋板的协同加固机制；通过模拟和量化关键参数对支护性能的影响，为波纹钢板和模袋混凝土新型接头在隧道中的最优设计和工程应用提供了技术支持。

节选内容

试件接头设计

本研究的试件设计基于北京地铁站导洞支护项目的应用背景。结合导洞垂直侧壁的施工和组装要求以及应力特性，确定了每个试件的关键参数和材料选择。制造的波纹钢板标准块长度为1.58米，宽度为0.70米，与圆形块一致

垂直荷载-挠度

图6显示了D1和D2处三种接头形式的构件荷载-位移曲线（D1为中跨位移；D3和D2在左右对称，变化规律一致。选择D2测量点进行分析）。考虑了三种接头构件荷载-位移曲线的变化特性，即曲线斜率的突变、塑性发展的起点、承载恶化节点等

数值模型

为了进一步研究接头的力学性能，在ABAQUS中开发了数值模型，如图14所示。有限元模型按实验试件的尺寸进行了缩放。由于加载分布梁的刚度较高，忽略了其变形，因此采用刚体进行建模。模型网格尺寸通过增加承载区域的密度并简化非承载区域来确定

参数分析

根据结构设计中的“强节点，弱构件”原则，影响波纹板稳定性的参数，即钢板厚度、肋板厚度和轴向力，是本研究影响接头性能的主要因素。同时，在早期阶段使用C30混凝土作为校准。当混凝土强度从C30提高到C40时，挠度仅减少了3.2%

结论

本研究采用全尺寸试验和有限元模拟相结合的方法，研究了波纹钢板模袋混凝土接头的弯曲性能。系统地探讨了CSP、CSPM和RCSPM三种类型接头试件的力学性能差异和失效规律。通过对不同影响因素进行数值模拟参数分析，得出以下结论：

(1)

全尺寸试验的

CRediT作者贡献声明

李鹏飞：撰写——审稿与编辑，项目管理。刘帅磊：撰写——初稿，形式分析，数据整理。陶永利：软件，方法论。黄正东：软件，形式分析。张家龙：软件，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（授权号：52278383）提供的财务支持。