不同架型的U型钢支架抗冲击性能的对比分析

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图 c 六阶模态变形图
图 d 六阶 X 向应力图
图 e 七阶变形图
图 f 七阶 X 向应力图
图 g 八阶变形图
图 4 梯形支架数值模拟结果
图 h 八阶 X 向应力图
3.2 结果分析
经过以上分析计算，忽略各种施工和现场不利因素造成的影响，加以整理分析，可得出 下面表格：
X
说明：1. 表中的模态编号为研究对象的模态阶数对应值。 2. 表中最大应力和最小应力为该阶模态各个方向上节点应力的极值，但不一定位于同一方向。
每一种类型支架的自振频率都随着模态阶数的增加而增加，模态阶数越高需要的能量就 越大[12]。三种类型支架无论在制作还是使用上都有各自的特点，适用于工程中各种情况， 在计算结果图中可以看出位移分布情况，其中直墙半圆拱和圆形拱的最大位移发生在平面 内，空间上刚度比较大，有较好的抗倾覆性能。梯形支架最大位移则发生空间上，使用时要 采取防倾覆措施。直墙半圆拱和圆形拱支架的自振频率远大于梯形支架的自振频率，而结构 的自振频率越大，自身的刚度也就越大，可以承受更大的外力。
（Hz）
直墙半圆拱支 98.086 -358/418
101.06
-414/412
133.124
-257/363
Y
架
圆拱支架
124.223 -228/288
128.353
-291/283
152.191
-296/303
Y
梯形支架
40.12
-395/389
41.12
-497/506
44.513
-630/587
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图 a U 型钢支架发生大变形
图 b 巷道断面减小 图 1 U 型钢支架的实际应用
图 c 卡缆被震坏
（1） 直墙半圆拱
模拟过程中模型以U29 型钢为例【10】，截面面积 37cm2，理论重量 29kg/m，转动惯量为 Ix=612.1cm4，Iy=770.7cm4，考虑了结构的前三阶模态。材料弹性模量E＝210GPa，剪切模 量G＝0.3，密度p＝7.85g/cm3，为线弹性材料。截面用ANSYS中的mesh200 单元，截面采用 shell181 单元【11】，一共产生 28583 个节点和 29116 个单元，直墙部分高 1.65 米，半圆拱半 径为 1.8 米。卡缆处采用耦合节点的方法处理。其中X向为空间方向，Y向为水平方向，Z向 为竖直方向。模态计算的结果如下：
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参考文献
[1] 潘一山，李忠华，章梦涛，我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究， 岩石力学与工程学报 2003 年11 月，22(11)：1844～1851 [2] 章梦涛. 冲击地压和突出的统一失稳理论[J]. 煤炭学报，1991，16(4)：25～31 [3] Lippmann H. 关于煤矿中“突出”的理论[J]. 力学进展，1990，24(4)：452～466 [4] Mroz Z，Nawrocki P. Deformation and stability of an elasto-plastic softening pillar[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，1989，22(5)：69～108 [5] Pan Yishan，Zhang Mengtao，Xu Bingye. The analysis of rockburst in coalmine[J]. Journal of Coal Science and Engineering，1996。2(1)：32～38 [6] 李东旭，高等结构动力学，国防科技大学出版社，1997.10 [7] 韩克平，李平。基于 ANSYS 环境下结构的模态分析[J].内蒙古农业大学学报，2002.9（3），85～88 [8] 李黎明，ANSYS 有限元分析实用教程[c]，清华大学出版社，2005.1，266-295 [9] 倪栋，段进，徐久成等通用有限元分析 ANSYS7.0 实例精解，电子工业出版社，2003.10，175-238 [10] Petr Horyl. Richard Snuparek. Modelling of effects of rockbursts on steel arch roadway support underground, RASIM6, 2005 [11] 张东俭。济宁二号煤矿厚煤层全煤巷道开拓部署。 [12] 沈明荣。岩体力学。同济大学出版社。上海。1993.3，8-58 [13] 龙驭球，包世华、结构力学、高等教育出版社，北京。1999.4，152-298 [14] 酒井忠明。结构力学，人民教育出版社，北京。1982.11，378-394
4． 总结
三种类型支架数值模拟分析结果来看，卡缆处是受力的不利位置，较大的位移多数情况
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下发生在此处，实际工程中采取提高卡缆质量的方法来提高支架的受力，取得了很好的效果。 构造地震的周期一般小于 0.2 秒【13】，冲击地压所引起的振动频率在 50 Hz左右，梯形支架 的自振频率与之比较接近，容易引发工程灾害，因此在工程中应用受限或是采取措施来改善 其抗震性能后再用。当外力周期和结构自振周期相比很小时，可以认为是动力载荷，对结构 破坏也就越大【14】。在冲击地压等振动载荷作用下，外力频率和结构自振频率相比很接近时， 结构的振幅会很大，甚至会发生共振，两者差距增大时，结构的振幅反而会减小。梯形支架 虽有较好的截面利用率，然而抗倾覆性能却不太好，因此使用也受到了限制。实践证明就支 架的承载能力，控制围岩变形的效果和可缩性能来讲，以环形支架最好，拱形支架次之，梯 形支架最差。直墙半圆拱有良好的抗震性能和抗倾覆性能，相同跨度下截面积大于后两种， 便于设备的运输，和圆形支架一样是有冲击倾向性巷道中一种效果较好的支护形式。
1． 引言
随着我国煤炭开采深度的逐年增加，有冲击倾向性的巷道支护成为工程界不可回避的问 题，支护结构的抗冲击性能研究有着广泛的工程意义。经过对已经发生冲击地压的初步统计， 可以得出冲击地压有以下特征[1]：（1）冲击地压的发生成为世界范围内的工程灾难。从1738 年英国南斯坦福煤田发生了世界上首例冲击地压，现在已发生冲击地压的国家有南非、德国、 英国、俄国斯等20 多个[2-6]。（2）冲击地压发生时辐射的能量越来越大。（3）我国发生冲 击地压的煤矿逐年递增，巷道支护形势越来越严峻。我国的煤矿大多数建于上世纪五、六十 年代，目前多数已经进入深部开采，冲击地压发生的可能性更大。
3． 数值模拟计算
3.1 数值模拟
模态计算是结构动力计算的基础，它可以找出结构的固有特性，能从根本上了解结构在 外界激励下所表现出来的动力特性。本文用ANSYS对U29 型钢材质的直墙半圆拱，圆形拱 和梯形支架进行模态计算，找出不同支架类型的自振频率和振型，对比外界载荷的频率，达 到从自身角度避免结构发生较大振动，初步预测结构破坏形式的目的[7－9]。
三阶y向应力图四阶z向应力图垂直可缩梯形支架垂直可缩梯形支架的模拟材料截面尺寸和单元类型都采用与直墙半圆拱一样本文仅考虑竖向可缩情况由于结构的前五阶模态的自振频率较小可近似认为是工程中可以避免的刚体移动故考虑结构的第六阶到第八阶模态程序产生了34517个节点和34920个单元

图阶模态变形
图d 一阶Y向应力图
图e 二阶模态变形图
图f 二阶Z向应力图
图 g 三阶模态变形图
图 h 三阶 Y 向应力图
图 2 直墙半圆拱数值模拟结果 -2-
图 a 圆形拱截面图

（2） 四节圆形支架
四节圆形支架的模拟材料，截面尺寸和单元类型都采用与直墙半圆拱一样，由于结构的 一阶自振频率为 0.018006HZ,二阶自振频率为 0.021981HZ,近似为刚体运动，但是工程中很 少发生由刚体位移引起的工程灾害，故考虑结构的第三阶到第五阶模态，一共产生 31520 个节点和 32570 个单元，支架半径为 1.85 米。卡缆处仍然采用耦合节点自由度的方法处理。 其中 X 向为空间方向，Y 向为水平方向，Z 向为竖直方向。模拟结果如下：
不同架型的 U 型钢支架抗冲击性能的对比分析
李玉涛
中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，岩石混凝土破坏力学重点实验室, 北京(100083)
E-mail：liyutao_82@
摘 要：支护结构的支护阻力和可缩量是巷道支护设计的主要参数，也是衡量巷道支护结构 性能优劣和支护效果的重要指标。U 型钢支架以其较大的支护阻力和可缩量而被广泛应用于 有冲击倾向性巷道。不同的架型有不同的结构性能，对巷道产生不同的支护效果。基于 ANSYS 有限元软件的模态分析模块对 U29 型钢材质的直墙半圆拱，圆形支架和梯形支架抗 冲击性能的研究，得出了不同架型支架的三阶自振频率，对应的受力特性和不利位置，直墙 半圆拱和圆形支架是三者中比较适合用于有冲击倾向性巷道的架型，对实际工程有一定参考 价值。 关键词：支护阻力；架型；冲击倾向性
1932年发明U型钢支架以来,U型钢支架支护巷道的做法得到了很大的推广。尤其是从上 个世纪六十年代以来，随着冲击地压现象的频繁发生，U型钢支架也受到越来越多人的注意 和研究。实践证明在有冲击倾向性的巷道采用U型钢支架或锚网架复合支护等形式虽然出现 了种种形式的破坏，但也取得了较好的经济效益和社会效益，图1展示了可缩性支架在实际 工程中的部分应用情况。
The comparable analysis of shock resistance of different forms U-type steel support system
Li Yutao
Lab of Fracture and Damage Mechanics of Rock and Concrete，School of Mechanics，Architecture and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, China (100083)
一号自
表 1 数值模拟计算结果 Table 1 The results of numerical simulation
一号应力最小/ 二 号 自 振 二号应力最小/ 三 号 自 振
三号应力最小/
最大位移对
振 频 率 最大（MPa） 频率（Hz） 最大（MPa） 频率（Hz） 最大（MPa） 应的方向
冲击地压的发生有时间和空间上的随机性，目前还没有准确预测冲击地压的方法，只能 被动的采取措施将冲击地压对支护结构的危害降低。本文以U29型钢材质的可缩性直墙半圆 拱，圆形拱和梯形支架为例，进行可缩性金属支架的模态分析，找出各种架型抗冲击性能的 优点和不足，为实际工程提供参考。
2． U型钢支架在实际工程中的应用以及支护效果
E-mail：liyutao_82@
Abstract Resistance and yieldable capacity are major parameters of roadway supports, and key points to evaluate existing ones. Leaning to large resistance and yieldable capacity, U-type steel support is used in bump-prone coal seam extensively. Different forms of supports lead to different structural performances. In order to study the natural vibration frequency and mode of U29-type steel support, the mode block of ANSYS software is employed. By discussing the kinetic response of stalk-semicircular arch, circular support and trapezoidal support, some useful results are acquired. The higher-order mode has bigger natural vibration frequency, the unfavourable texturing position and the destruction of U-type steel support develops along the mode approximately, both the stalk-semicircular arch support and circular support are well to bestow in the bump-prone coal seam. Keywords：resistance; support type; bump-prone
图 b 支架单元图
图 c 三阶模态变形图
图 d 三阶 Y 向应力图
图 e 四阶模态变形图
图 f 四阶 Z 向应力图
图 g 五阶模态变形图
图 h 五阶 Z 向应力图
图 a 梯形支架卡缆处约束情况
图 3 圆拱数值模拟结果
图 b 单元图
（3） 垂直可缩梯形支架
垂直可缩梯形支架的模拟材料，截面尺寸和单元类型都采用与直墙半圆拱一样，本文仅 考虑竖向可缩情况，由于结构的前五阶模态的自振频率较小，可近似认为是工程中可以避免 的刚体移动，故考虑结构的第六阶到第八阶模态，程序产生了 34517 个节点和 34920 个单元。 垂直高度为 3 米，顶部跨度为 2.8 米，底部跨度为 4 米，卡缆设在高度为 1.5 米到 2 米之间。 侧帮和顶部相交部分仍然采用耦合节点自由度的方法处理。其中 X 向为空间方向，Y 向为 水平方向，Z 向为竖直方向。模拟结果如下：