文摘
矢跨比的影响轴承性能的钢管混凝土(钢管)摘要研究了圆拱,三组钢管圆拱标本不同矢跨比(0.154、0.207和0.26)被选中,执行六点均匀分布载荷,轴承性能试验钢管圆拱与固定标本进行了结束。在这项研究中,极限承载力和变形破坏特征的钢管圆拱的标本。比较分析表明,钢管混凝土圆拱标本的变形演化经历了压实阶段,弹性阶段、弹塑性阶段,塑性阶段。在弹塑性和塑性变形阶段,圆拱显示良好的延性和承载力。圆拱的承载力明显受到矢跨比的影响。与圆拱标本矢跨比为0.154,标本的屈服载荷与0.207和0.26的矢跨比增加了50.8%和61.5%,和极限承载力提高42.7%和68.3%,分别。矢跨比越大,屈服载荷越大,试件的极限承载力和抗变形性越强的圆拱。抗弯强度的数值模拟过程中圆拱是由有限元分析提出钢管和核心混凝土的压缩破坏过程。仿真结果与实验结果有很好的一致性。实验和仿真结果表明,圆拱第一收益率在拱脚的内侧,和不同位置的曲率的标本不再是一致的。 When the ultimate bearing capacity is reached, the steel pipe at the arch foot obviously heaves, and the hooping effect of the steel pipe on the concrete is invalid. Based on the above research results, a closed composite support scheme of “bolt mesh shotcrete + vertical elliptical CFST support + steel fiber concrete shotcrete layer + reinforced anchor cable” was proposed for the extremely soft rock roadway and successfully applied in the Qingshuiying coal mine.
1。介绍
钢管混凝土(钢管混凝土结构可以充分利用箍效应的钢管和核心混凝土的轴承性能好。共生的钢管和核心混凝土的力学性能大大增加了强度和承载力。钢管混凝土结构已广泛应用于地面建筑,以及一系列的12个成员的研究成果取得了(1- - - - - -12]。基于核心筒复合材料的力学性能,地下场铸钢管支持是发明了高强度支撑,适合深埋巷道围岩和软岩石巷道的支持。在相同数量的钢,其承载力可以达到u形钢支架的大约3倍(13]。支持由连杆相连,具有较高的变形阻力和优越的塑料和抗震性能。目前,这种支持已成功应用于20多个煤矿在中国,包括巷道深处,软岩石巷道,巷道交叉点(14- - - - - -23]。
钢管混凝土结构在地下工程的性能研究主要集中在两个方面:轴压承载力和抗弯能力。李Xuebin [24],王军[25)等研究了核心筒短柱的力学性能与不同壁厚和内直径的钢管。瞿Guanglong [26)相比,测试了不同组的钢管直梁的抗弯承载力标本。王薄(13],刘Guolei [27),和王军25]研究了钢管的机械性能支持集中荷载作用下不同规格和改进的整体承载力支持焊接弯曲圆钢在强度方面的支持。钢管支撑技术的发展促进了大量的实验数据和结果。
传统的钢管支持由4 - 6圆拱门拼接。在这项研究中,圆拱列被选中,这比短列和直梁更合理的进行研究。一般来说,圆拱成员的轴承性能影响的矢跨比、核心混凝土的强度,钢纤维的内容,钢管壁的厚度,直径的钢管,弯曲圆钢的大小。均匀分布条件下的加载和完整的固定拱脚,他生28]研究了钢管混凝土圆拱的极限承载力标本不同管道直径、壁厚、焊接弯曲圆钢,跨度和拱脚位移监测,并分析了钢管的变形特征圆拱的标本。在前面研究12个成员,成员的钢内容(如管径、壁厚和弯曲圆钢)主要研究作为轴承性能的影响因素。基本结论是,增加钢的内容可以提高钢管的承载力和变形性能。然而,增加钢内容无疑增加了经济成本。在这项研究中,矢跨比的影响轴承性能的钢管圆拱标本主要是研究和研究结果作为重要参考依据部分钢管的设计支持。最后,提出了复合钢管的支持的支持方案并成功地应用于巷道工程的部分支持。这项研究提供了成功的方法和经验的支持软岩在深矿井巷道。
2。钢管混凝土圆拱的承载力实验标本
2.1。实验目的
(1)6点均匀分布加载和三个不同矢跨比选择测试钢管圆拱的极限承载力标本两端固定约束下的支持。(2)钢管混凝土圆拱的失效模式标本,分析比较了不同矢跨比的。(3)中跨位移钢管圆拱标本不同矢跨比的监控,以及荷载位移曲线进行比较分析。
2.2。设计和制造的钢管圆拱标本
2.2.1。设计和制造的钢管圆拱标本
Φ140×6毫米型无缝钢管被选为钢管混凝土圆拱的主要钢管标本。矢跨比范围内的工程应用,根据结构和载荷的对称性,钢管混凝土标本矢跨比为0.154,0.207,和0.26了。核心混凝土的强度等级被分配为C40,最后的约束形式的标本固定约束。总共3钢管圆拱标本测试。表1显示了设计参数和规格的钢管圆拱标本不同矢跨比。图1显示了特定规格的钢管圆拱标本。
(一)
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(c)
2.2.2。样品结束治疗
核心混凝土完全硬化后,钢板焊接的标本是克制。最终克制力不仅增加了端面的面积也适合更好的支持斜板的支持,大大提高了稳定性和承载力的标本。同时,方便观察拱脚的损伤位置。
2.3。实验方案设计
压缩弯曲性能测试钢管圆拱结构实验室的标本进行了土木工程学院,山东建筑大学。实验室配备了大量反应不同吨位的帧试验台和千斤顶,实验条件,能满足实验的要求。在这个实验中,位移监控进行监控的垂直位移中跨的圆拱。图2显示了加载图片后实际生产。
2.4。实验程序
(1)圆拱的标本是在地面上组装与应变计粘贴。(2)支持实验平台升起,飞机克制支撑梁是停滞不前,应变仪导线连接。位移传感器安装,液压千斤顶调整,使其在同一垂直加载面支持。(3)预加载。预压是用来消除整个的虚拟位移加载装置,并确保所有部分在充分接触和合作。在预加载之前,每个仪器的读数记录,然后进行预压标本,应用负载不得超过最大负荷的10%。预加载计划分为三个层次:20 kN, 40 kN, 60 kN。(4)正式的加载。圆拱的最大承载力的标本被估计在700 - 1300 kN通过理论计算。静态分级加载方式在实验中,采用圆拱标本是装载在10 - 20的水平。之前估计负载60%的价值,装运每级增加了100 kN;估计负载值的60% - -80%时,加载每级增加了20 - 50 kN;超过80%的估计价值,加载后增加了10 kN /水平。圆拱的收益率标本后,变成了位移控制加载方法,阅读每秒钟记录一次。每一层的连续加载时间约1 - 2分钟,和测量数据记录稳定变形后的标本。(5)加载后的工作。圆拱标本时明显了,完全变形,加载终止,杰克被撤回。实验测试仪器第一次被移除,其次是分布梁和加载缓冲块。水平约束设备和标本一侧最终被移除。
2.5。实验结果分析
2.5.1。此分析圆拱
中跨位置的荷载位移关系的三个圆拱标本不同矢跨比,如图3。
根据荷载位移曲线、圆拱的变形标本可分为四个阶段:压实阶段,弹性变形阶段,弹塑性变形阶段,塑性变形阶段。(1)压实变形阶段。这个阶段从那一刻开始装货,提出了凹部分曲线的开始。在这个阶段,由于加载的杰克,小圆拱和钢构件之间的差距基础压实,和圆拱产生向下的一个小村庄。作为一个整体,造成位移的一部分。与此同时,在六点均匀分布荷载下,圆拱的应力是由轴向力,类似于钢管混凝土短柱。在加载的初始阶段,钢铁大于混凝土的横向变形,和两个独立工作。钢管的早期变形反映在垂直位移监测的位移计;在轴向力,核心混凝土的内部孔和缝隙逐渐压实。(2)弹性变形阶段。这个阶段提出的线性荷载和位移之间的关系曲线。(3)弹塑性变形阶段。当外加负载超过屈服载荷的圆拱,曲线的斜率稳步减少单调和负载的增加,和圆拱的变形非线性增长的趋势。(4)塑性变形阶段。这个阶段提出的直线节曲线,这是理想的塑性状态。钢管混凝土圆拱成员具有良好的延性和承载力。
如图3越大,矢跨比,更大的圆拱的极限承载力。圆拱的极限承载力标本矢跨比为0.154,0.207,和0.26可以达到753 kN, 1074.3 kN,和1267.1 kN,和相应的中跨位移为40.98毫米,33.37毫米,34.26毫米,分别。这表明这些钢管圆拱标本有高承载力和较强的变形能力。
2.5.2。圆拱的承载力分析标本
屈服载荷、极限承载力和相应的圆拱标本中跨位移表进行了总结2。直方图的屈服载荷和极限载荷的三个圆拱标本图所示4。
根据表2和图4,以下可以得出结论:(1)圆拱的承载力平面明显受到矢跨比的影响。矢跨比越大,屈服荷载和极限承载力越大。与圆拱标本矢跨比为0.154,标本的屈服载荷与0.207和0.26的矢跨比增加了50.8%和61.5%,和极限承载力提高42.7%和68.3%,分别。(2)浅拱的矢跨比为0.154和0.207,试件的极限承载力增加15.8%和9.6%与其屈服载荷相比,当试件的极限承载力与矢跨比为0.26的屈服载荷相比增加了20.7%。(3)矢跨比越大,变形越小样本所需的产量和达到极限承载力。它表明,圆拱标本大矢跨比更大的刚度。换句话说,增加圆拱的矢跨比可以有很强的变形阻力。
2.5.3。圆拱的变形和破坏特征分析标本
实验结果表明,不同矢跨比的标本产生了第一个在拱脚的内侧。之后,在不同位置的曲率圆拱不再是相同的,和拱脚开始承受压缩和弯曲的联合行动。进一步增加的负载,核心混凝土的裂缝逐渐渗透和扩展,和具体的数量迅速增加向外扩张。因此,圆截面的钢管无法维持,对核心混凝土和箍筋的影响逐渐减弱,直到试件的承载力丢失。图5显示了拱脚变形和破坏。重要的膨胀和增厚的钢管拱脚两端可以观察到。此时,圆拱的轴不垂直于这个平面焊接端板。
(一)
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图6显示了试样的整体变形和破坏。可以看出,曲率半径的圆拱标本不同矢跨比增加。矢跨比越大,变形程度越高,越弧趋近于一条直线。
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(c)
实验后,外墙的钢管拱脚被切断,核心混凝土的损伤是观察,如图7。核心混凝土的拱脚具有良好的完整性和没有明显的裂缝。核心混凝土拱脚沿斜截面破坏在大约45°角拱轴,属于典型的剪切膨胀失败。矢跨比越大,越完整。
(一)
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3所示。矢跨比的单因素有限元分析
室内实验只能监控承载力、位移、应变、圆拱和其他参数。数值模拟监控所需的应力分布,轴向力和弯矩的圆拱。在这项研究中,使用有限元分析软件来分析压力、轴向力、弯矩,梁进行钢管圆拱在不同矢跨比。
3.1。力学模型建立和边界约束
有限元模型的建立与实验的实际情况是相一致的。六点均匀分布加载进行钢管沿拱轴,和结束的标本固定和克制的正常方向限制的平面外变形标本。图8显示了试样的力学模型。与实验加载相比,计算机仿真可以加载试样更稳定。因此,在加载范围内0 - 400 kN,垫块上的负载增加了50 kN /水平;高于400 kN的加载,垫块上的负载增加了25 kN /水平。
3.2。元素的选择和网格划分
有限元模拟的准确性很大程度上取决于所使用的类型的元素。在钢管混凝土圆拱的弹塑性仿真分析,圆拱的位移和应变大,和圆拱承受弯矩的作用;然后完成积分元素很容易产生卷自锁现象;因此,主要减少积分元素(C3D8R)被选为模拟元素类型。
3.3。钢管和混凝土的本构选择
表3显示参数设置在钢管的塑性损伤模型。
表4显示了参数设置的混凝土塑性损伤模型。主要参数的选择是基于[29日]。
3.4。仿真结果和分析
3.4.1。荷载位移曲线分析
图9显示圆形拱门与不同的荷载位移曲线跨度比极限承载力。由于理想化的有限元模拟过程,圆拱的变形只有三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段,塑性变形阶段。如图9圆拱的极限承载力,矢跨比为0.154,0.207,和0.26是750 kN, 1030 kN,和1280 kN,分别。与实验值的最大误差控制在5%以内,表明模拟的效果是有效的。此时,相应的中跨位移为37.9毫米,37毫米,35.1毫米,分别。可以看出,矢跨比越大,越高圆拱的极限承载力和抗弯曲变形能力越强。深拱的矢跨比为0.26,圆拱的承载力之后还可以大大提高产量,这与实验结果是一致的。
3.4.2。圆拱的应力分布分析
后圆拱矢跨比为0.154,0.207,和0.26到达极限承载力,钢管和混凝土的应力分布,如图10- - - - - -12。以下是总结说:(1)6点均匀分布加载模式下,只有一个压应力和拉应力区域圆拱。(2)对不同矢跨比、圆形拱门上的压力钢管表面大于核心混凝土。(3)外壁的应力分布的钢管和核心混凝土的内部有一个很大的跳跃。在整个圆拱,圆截面钢管混凝土接触加载缓冲块的熊最少的压力,邻垫块之间的圆截面熊更高的压力,和有一个减压区加载区域的中间两个垫块。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
3.4.3。综合位移分析圆拱
图13显示了圆拱的综合位移云图与不同矢跨比当它到达极限承载力。6点均匀分布加载模式下的实验中,圆拱的变形是对称的。从拱脚的中间,圆拱的综合位移逐渐增加。此外,矢跨比越小,综合变形越大,在中间跨度范围。
(一)
(b)
(c)
3.4.4。分析圆拱的轴向力和弯矩
圆拱的变形和应力与不同矢跨比是对称的。因此,为圆拱,和15个监视点将先后从中跨部分的拱脚部分监控轴向力和弯矩为圆拱。监测曲线圆拱的轴向力和弯矩与不同矢跨比弹性阶段(以500 kN为例),在达到其极限承载力得到,如图14和15。
(一)
(b)
(一)
(b)
在图14,三个凹部分在每个曲线对应的位置垫块圆拱,和两个相邻之间的直线部分凹部分对应于相邻之间的圆拱部分垫块。以下可以看到:(1)在相同的负载,矢跨比越小,越圆拱的轴向力;在达到极限承载力时,没有明显的区别在圆拱的轴向力。(2)圆拱的轴向力分布是跳跃。圆拱的轴向力在垫块的接触面积很小,而且没有明显的轴向力的变化之间的圆拱邻垫块。
如图15可以看到,以下:(1)圆拱的弯矩变化很大,尤其是在靠近垫块。圆拱的矢跨比为0.154为例,分3、4、8、9日13日和14日的监视点圆拱下垫块,和弯矩的变化最明显的是在这些点附近。(2)在弹性变形阶段,矢跨比越小,更大的圆拱的弯矩和抗弯性能越差。圆拱的最大弯矩与不同矢跨比出现在拱脚。结合轴力监测图,可以看出,在拱脚弯矩和轴力最大,和圆拱收益率拱脚。(3)当负载值达到极限承载力的圆拱,拱脚弯矩的所有圆形拱门减少,和最大弯矩出现在或接近1/4跨的中间。
4所示。工程应用
4.1。工程背景
水平暂时的油底壳的埋深(+ 786)的副轴Qingshuiying煤矿596米,主要安排在2 #煤层的地板。巷道的围岩主要是泥质胶结砂岩与发达床上用品和关节,柔软,容易风化。这一领域的侧压力系数为1.45,地层倾角20°-26°。的机械和液压特性围岩被现场抽样测试。天然岩石单轴抗压强度是5.1 - -12.9 MPa,饱和单轴抗压强度是3.6 - -5.3 MPa,软化系数是0.18 - -0.2。岩石的孔隙度是11% - -16%,吸水率是22% - -27%,膨胀率是20.7% - -36.7%。粘土矿物的含量在巷道的围岩高,相对含量为46.2%,粘土矿物蒙脱石的含量是30%以上。岩石软化系数小于0.2,可扩展性和吸水软化是重要的。因此,围岩属于典型的强劲扩张极软岩地层。
油池的原始部分临时道路是直墙半圆拱,并联合支持的形式“螺栓网喷射混凝土+混凝土喷层+ U36钢支持”采用的支持,以及锚杆的规范是Φ22毫米×l2500毫米,800毫米×800毫米的行间距;混凝土喷层的厚度是300毫米。U36钢支持之间的间距为800毫米。经过20天的巷道开挖和支持,泥浆皮肤的搭接区域圆拱和直壁部分裂缝和脱落;双方迅速喷射混凝土层的开裂和凸起,和屋顶的分层沉降在某些部分超过500毫米;底鼓是强大的,它在某些部分达到1400毫米。因此,道路终于不稳定,破坏。
4.2。巷道变形和破坏的原因分析
巷道变形和破坏的主要原因如下:(1)围岩强度较低,受水的影响。(2)构造应力的影响是显著的。双方的巷道的收敛与横向线性系数增加,底鼓也增加。(3)巷道断面大,支持强度很低,部分和支持设计不合理。(4)关键部件的变形大,变形主要是屋顶和地板的运动;开关键部分的大变形巷道的整体变形和不稳定。
4.3。复合钢管的支持方案的支持
通过分析原因的巷道围岩变形和破坏,提出了以下措施:(1)高预应力螺栓被用来加强巷道周围岩体在一定宽度,和螺栓之间的影响范围叠加形成一个连续的高压压缩拱抑制外部围岩的收敛变形。(2)金属变成关闭了12个支持,设计作为一个垂直的椭圆。主导了巷道围岩变形的屋顶和地板上。圆拱的实验结论,圆拱的矢跨比顶部和底部增加提高其抗弯强度和轴承性能,以抑制垂直方向的大变形。弧形部分的使用可以改善围岩应力状态的在同一时间。(3)喷射混凝土层的力学性能和应力状态改善,喷射混凝土层的完整性是维持。两层中设置钢筋网喷射混凝土层来改善其韧性。高强度的径向力所提供的支持和外部围岩压力喷射混凝土层在三维应力状态,应力状态的喷射混凝土层可以显著改善。
最后支持计划如下:最初的道路是扩大并修复,和锚网喷用于最初的支持,然后“钢管支持+钢纤维混凝土喷层+钢筋锚电缆2支持”被用于辅助支持。Φ194毫米×10毫米无缝钢管被选为主要钢管的支持。核心钢管被分配为C40混凝土。混凝土喷层的厚度是50毫米,喷射混凝土层的厚度是400毫米,这件和强度等级。的地脚螺栓Φ22毫米×L2500毫米左螺纹螺栓没有纵向钢筋,行间距为700毫米×700毫米。锚索的规范是Φ15.24毫米×L7000 mm,间距为700毫米。
综合支持的总体设计方案如图16。
4.4。围岩变形的监测
的核心筒支撑部分临时蓄水64米长,92支持使用。交叉点方法,双方的位移,屋顶和地板,每10支持一个部分的测试。围岩收敛变形的不同部分可以分为快速变形、变形、缓慢和平稳变形阶段。15天内的支持,围岩变形是相对强劲的。15 - 30天内支持,变形速度逐渐减慢。经过30天的支持,变形增长不明显。它表明,巷道的收敛变形得到有效控制。控制巷道底鼓发生影响是显著的,和围岩的最大变形小于100毫米。图17显示在不同阶段巷道的支护效果。通过图可以看出17 (b)混凝土喷层不开裂和脱落,和支持效果好。
(一)
(b)
5。结论
(1)矢跨比越大,越大的屈服荷载和极限承载力钢管圆拱标本和圆拱的变形抗力越强。与钢管圆拱标本矢跨比为0.154,标本的屈服载荷与矢跨比为0.207和0.26增加了1.5倍,和极限承载力提高42.7%和68.3%,分别。承载力明显受到矢跨比的影响。(2)矢跨比越大,试样的变形程度就越高。当达到极限承载力时,圆拱可以产生大变形和优越的延性有很长的屈服阶段。变形导致内力的再分配,在拱脚弯矩减小,最大弯矩出现在中间的跨度或接近1/4的跨度。(3)圆拱的破坏机理阐述了六点均匀分布载荷下。标本不同矢跨比的内力分布并不均匀,弯矩和轴向力载荷变化显然在当地。在弹性变形阶段,弯矩和轴向力的最大值产生在拱脚。核心混凝土拱脚是被剪切破碎和扩张的作用下压缩和弯曲,导致扩张变形。钢管产量后,圆截面不能保持,混凝土的约束效应减弱,在拱脚变形增加,曲率的标本是不一致的。结果,负荷进一步增加,轴承性能的标本的失败最终导致。(4)的实际变形特征分析的基础上临时底壳巷道的围岩,其应用需求被认为是和一个封闭的复合支持方案“螺栓网喷射混凝土+垂直椭圆钢管支持+钢筋钢纤维混凝土喷层+锚索”提出,已成功应用于煤矿。数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(没有。51904149)和山东省自然科学基金,中国(ZR2019BEE013)。