本文關(guān)鍵詞：壓彎狀態(tài)下鋼管混凝土圓弧拱的工作機理與應(yīng)用研究　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,鋼管混凝土支架已應(yīng)用于20余處深埋軟巖礦井中,取得了良好的經(jīng)濟效果,具有較大工程應(yīng)用價值。深埋軟巖巷道中應(yīng)用的鋼管混凝土支架工作狀態(tài)中受到巷道圍巖的法向荷載作用,巷道中使用的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)允許發(fā)生一定的塑性變形。與地面工程中的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相比,在受載方式和工作狀態(tài)方面有較大差異。因此,深入研究鋼管混凝土圓弧拱在法向均布荷載作用下的工作機理是很有必要的。本論文實驗測試了30根不同壁厚直徑127mm鋼管混凝土短柱力學(xué)性能、11根鋼管混凝土圓弧拱6點法向均布荷載作用下的力學(xué)性能,結(jié)合理論計算和數(shù)值分析方法,理論推導(dǎo)了鋼管混凝土圓弧拱極限承載力計算方法,分析了鋼管混凝土短柱和鋼管混凝土圓弧拱的工作機理,并根據(jù)研究成果提出了深埋巷道基于鋼管混凝土支架的支護設(shè)計方法。主要結(jié)論如下：1、鋼管混凝土短柱軸向壓縮工作機理通過30根鋼管混凝土短柱軸向壓縮實驗,結(jié)合理論分析主要得出如下結(jié)論：(1)鋼管混凝土短柱極限承載能力根據(jù)鋼管混凝土短柱極限承載力實測值,回歸分析結(jié)果表明,直徑127mm鋼管混凝土短柱極限承載力Nu與鋼管壁厚t呈線性關(guān)系：Nu=222t+615.28(kN)。隨著鋼管混凝土短柱壁厚的增大,塑性階段變形特征由塑性軟化向塑性強化轉(zhuǎn)變。運用極限平衡理論,推導(dǎo)了考慮鋼材最小主應(yīng)力的鋼管混凝土短柱極限承載能力計算公式。理論計算結(jié)果與實測值較為接近。(2)根據(jù)鋼管混凝土短柱軸向壓縮過程中,鋼管軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變的發(fā)展過程,分析了鋼管混凝土短柱軸壓狀態(tài)下的工作機理。分析結(jié)果認(rèn)為：鋼管混凝土短柱宏觀上達(dá)到彈性極限前,鋼管混凝土試件體積變形由壓縮向膨脹轉(zhuǎn)變。在彈性階段,壓力機對試件所做功轉(zhuǎn)化為試件的變形能,試件達(dá)到彈性極限狀態(tài)后,試件內(nèi)部發(fā)生破裂,體積膨脹,試件內(nèi)變形能得到釋放。2、不同鋼材線密度鋼管混凝土圓弧拱法向均布荷載作用下工作機理為研究壁厚影響,實驗測試了直徑為140mmm壁厚分別為5mm、6mm、7mm和10mm的鋼管混凝土圓弧拱在法向均布荷載作用下的壓彎力學(xué)性能。為研究鋼管管徑影響,實驗測試了壁厚為6mm直徑分別為127mm、140mm、152mm和168mm的鋼管混凝土圓弧拱在法向均布荷載作用下的壓彎力學(xué)性能。結(jié)合理論分析和數(shù)值分析方法主要得到如下結(jié)論：(1)鋼管混凝土圓弧拱核心混凝土軸向應(yīng)變監(jiān)測為研究鋼管混凝土圓弧拱在均布法向荷載作用下的工作機理,設(shè)計了鋼管混凝土圓弧拱核心混凝土軸向應(yīng)變監(jiān)測裝置與核心混凝土軸向應(yīng)變監(jiān)測方案,實現(xiàn)了管徑127mm-168mm鋼管混凝土圓弧拱跨中位置核心混凝土軸向應(yīng)變監(jiān)測。(2)鋼管混凝土圓弧拱彈性極限承載力計算運用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法,理論推導(dǎo)了彈性狀態(tài)下法向均布荷載作用下鋼管混凝土圓弧拱內(nèi)力公式,可求解彈性狀態(tài)下,鋼管混凝土內(nèi)部軸力與彎矩情況。理論推導(dǎo)結(jié)果表明：兩端固支的鋼管混凝土圓弧拱在均布法向荷載作用下,拱腳處屈服早于圓弧拱跨中屈服,與實驗結(jié)果相符。結(jié)合壓彎復(fù)合作用下鋼管混凝土圓弧拱極限承載力估算方法和鋼管混凝土圓弧拱內(nèi)力計算方法,求解了鋼管混凝土圓弧拱跨中鋼管混彈性極限狀態(tài)的作動器荷載。求解結(jié)果與鋼管混凝土圓弧拱各級荷載作用下跨中位置鋼管軸向應(yīng)變分布情況的變化情況相符。(3)對比了截面含鋼率較低試件實測極限承載力和不計彎矩條件下極限承載力估算值,二者較為接近。理論分析認(rèn)為,鋼管混凝土圓弧拱試件變形塑性階段,抗彎剛度發(fā)生衰減,圓弧拱軸向小變形引起的附加力衰減。圓弧拱內(nèi)彎矩的減小使鋼管混凝土圓弧拱極限承載力更接近于鋼管混凝土軸向壓縮極限承載力。試件截面含鋼率越高,抗彎剛度衰減越不明顯。因此,隨著試件截面含鋼率的提高,試件極限承載力實測值與不計彎矩條件下鋼管混凝土圓弧拱極限承載力估算值差距增大(4)試件壓彎過程中鋼管與核心混凝土應(yīng)變分布規(guī)律法向均布荷載作用下各級荷載鋼管混凝土圓弧拱跨中位置鋼管和混凝土軸向應(yīng)變分布實測結(jié)果表明：①鋼管彈性階段,鋼管軸向應(yīng)變值大于混凝土應(yīng)變檢測值。②鋼管塑性階段,鋼管軸向應(yīng)變與混凝土軸向應(yīng)變差值進一步擴大。③圓弧拱試件變形之初,鋼管與混凝土之間即發(fā)生了相對移動。④各級荷載作用下,混凝土軸向應(yīng)變和鋼管軸向應(yīng)變分布規(guī)律及發(fā)展趨勢相近。⑤加載方式和荷載傳遞方式的差異是導(dǎo)致鋼管混凝土圓弧拱工作機理與鋼管混凝土短柱軸向壓縮工作機理差異的根本原因。(5)鋼管混凝土圓弧拱壓彎性能數(shù)值分析鋼管混凝土圓弧拱數(shù)值分析結(jié)果如下：①鋼管混凝土跨中軸力與拱腳軸力基本相同,鋼管混凝土圓弧拱彈性變形階段,跨中位置彎矩明顯小于拱腳位置彎矩。②鋼管混凝土圓弧拱軸力隨荷載呈線性增長,彈性變形階段拱內(nèi)彎矩隨荷載呈線性增長,塑性變形階段,拱內(nèi)彎矩發(fā)生衰減。③支架內(nèi)力發(fā)展過程與理論分析結(jié)果相吻合。鋼管混凝土極限承載力實測值、模擬值和理論計算值基本相同。3、不同直徑圓鋼強化鋼管混凝土圓弧拱壓彎性能實驗測試了強化圓鋼直徑分別為：8mm、16mm、24mm和32mm的Φ140×6mm鋼管混凝土圓弧拱試件在法向均布荷載作用下的壓彎力學(xué)性能,結(jié)合理論分析和數(shù)值分析主要得到如下結(jié)論：(1)采用用鋼管混凝土與強化圓鋼彈性極限承載力分算累加的方法,估算了強化圓鋼8mm、16mm、24mm、32mm鋼管混凝土圓弧拱跨中位置鋼管彈性極限承載能力和圓弧拱極限承載力,理論計算值與實測結(jié)果吻合良好。(2)分析了法向均布荷載作用下各級荷載鋼管混凝土圓弧拱跨中位置鋼管和混凝土軸向應(yīng)變分布情況,實測結(jié)果表明：①試件彈性階段,強化圓鋼直徑為8mm試件和未強化試件,鋼管與混凝土軸向應(yīng)變差值持續(xù)增加,強化圓鋼直徑為16mmm和32mm試件,鋼管與混凝土軸向應(yīng)變幾乎相同。②鋼管塑性階段,強化圓鋼直徑為32mm試件的鋼管軸向應(yīng)變與混凝土軸向應(yīng)變幾乎相同。其他試件,鋼管軸向應(yīng)變高于混凝土應(yīng)變。③強化圓鋼為8mm試件核心混凝土軸向應(yīng)變分布與鋼管軸向應(yīng)變分布幾乎同時發(fā)生調(diào)整,強化圓鋼直徑為16mm試件和強化圓鋼直徑為32mm試件,核心混凝土應(yīng)變分布調(diào)整晚于鋼管應(yīng)變分布調(diào)整。4、深埋巷道鋼管混凝土支架設(shè)計方法探討了深埋動壓巷道圍巖變形機制與控制方法。結(jié)合實驗成果和理論計算提出鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,并與工程實踐應(yīng)用效果相互印證。主要得到如下結(jié)論：(1)巷道開挖后,彈塑性變形幾乎是不監(jiān)測的,所監(jiān)測到的巷道圍巖變形為與時間有關(guān)的流變變形�？刂葡锏绹鷰r流變變形的主要手段有：①提高支護體支護反力,提高巷道圍巖穩(wěn)定性。②改善巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)。③適度讓壓,使巷道支承壓力峰值向巷道圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移。(2)工作面動壓對深埋巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,作用于圍巖上一定量級的持續(xù)性的擾動作用。根據(jù)巖石流變擾動效應(yīng)實驗成果,認(rèn)為具有一定可縮性的高強度的支護體對深埋動壓巷道具有更強的適應(yīng)性。(3)合理工作狀態(tài)下鋼管混凝土支架內(nèi)力以軸力為主,彎矩較小。為使鋼管混凝土支架具有一定變形范圍內(nèi)承載力不下降的特征,支架選型時鋼管徑厚比不宜過小。理論分析了支架內(nèi)力以軸力為主的各段等強的鋼管混凝土支架形狀,當(dāng)巷道凈寬、凈高和圍巖壓力側(cè)向系數(shù)一定時,頂弧段圓弧矢跨比為：兩幫段圓弧拱矢跨比為：采用工程實踐和FLAC數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法,驗證了深埋動壓巷道鋼管混凝土支架設(shè)計方法。分析結(jié)果表明邢東礦二水平皮帶下山所采用的基于鋼管混凝土支架的支護方案兼具如下特點：①支護強度高,承載能力富余量較大。②支架內(nèi)以軸力為主,彎矩較小。③支架產(chǎn)生一定軸向壓縮變形承載能力不下降。適用于深埋動壓巷道支護。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD353.3

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本文編號：1315204