圆形钢管混凝土支架支护承载力研究

合加载条件下的承载能力.利用数值模拟方法模拟
度和较大的抗弯能力,广泛应用于建筑、桥梁结构
钢管混凝土破坏过程也取得显著进展,从理论上较
中,目前已经引入到复杂困难巷道大变形支护控制
好地解释了钢管混凝土破坏机理.
方面,成为一种非常有潜力的新型高强度巷道支护
结构.
近年来,在深部煤矿巷道中,采用钢管混凝土
支架替代 U 型 钢 支 架 的 应 用 迅 速 增 加. 笔 者 通 过
于弯矩限值 ３０kNm 的 ０
５％ .这 说 明 均 布 载 荷
作用下,能够充分发挥支架的承载能力.数值结果
与按式 (
１)和式 (
２)得到的解析解吻合较好.
图 ５ １/４ 支架内力分布 (
q＝２００kN/m)
将图 ５ 中 １/４ 支 架 的 轴 力 扩 展 到 整 个 圆 形 支
的内力分布可以利用对称性得到.
示.由图 ７ 可 以 看 出, 支 架 中 最 大 轴 力 为 １５kN,
方法研究支架承载特征.
相当于支架临 界 轴 力 限 值 ６１５kN 的 ２％ , 而 支 架
３
１ 数值模拟模型
在数值模型 中,圆 形 钢 管 混 凝 土 支 架 由 ２４ 个
kNm 的 ８０％ .这说 明 集 中 载 荷 作 用 下, 非 常 不
动,用定向支座表示其约束.由图 ３ 可知,该结构
用下圆形支架上产生的轴力、弯矩.在均布载荷作
生弯 矩, 即 M ＝０, 支 架 上 只 产 生 均 匀 分 布 的
轴力:
点可以 在 垂 直 方 向 滑 动,B 点 可 以 在 水 平 方 向 滑
为超静定 结 构, 在 支 座 A 处 去 掉 一 个 连 杆 后, 得
到其基本体 系, 如 图 ４ 所 示. 在 图 ４ (
a) 中,M A
５７
圆形钢管混凝土支架支护承载力研究
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是作用在 A 点的固端弯矩,为待求未知量;Φ 表示
以 B 点为起点的圆弧角度.
梁单元连接而成, 即 采 用 圆 的 内 接 正 ２４ 边 形 代 替
稳破坏.
若qs＞qcr,则轴力限值修正为:
支架上作用的外载荷存在无限多种形式,为了
３EI
Nu ＝ ２
R
从理论上廓清支架外载荷和内力 (轴力、弯矩)之
间的关系,此处选择两种有代表性的情况进行基于
小变形的理论分析.
２
１ 径向均布载荷
假设岩体中垂直应力和水平应力相同,开挖后
圆形巷道周围将产生均匀的径向位移.圆形钢管混
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抗压和抗弯能力是钢管混凝土材料的基本强度
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中,支架形状发生了比较明显的改变,需要考虑形
状改变对弯矩和轴力分布的影响,数值模拟分析方
法能够反映结构大变形的影响,下面结合两种分析
力.由图 ６ 可以看出,在均布载荷作用下,支架内
产生了均匀分布的轴力,轴力为压力.
当钢管混凝土支架仅有集中载荷作用时,取 P
＝３０kN, 钢 管 混 凝 土 支 架 的 内 力 分 布 如 图 ７ 所
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凝土支 架 上 将 产 生 均 匀 分 布 的 径 向 载 荷, 如 图 １
(
３)
(
４)
２
２ 集中载荷
圆形支架在两个对称点受集中载荷影响,如图
２ 所示.支架仅有两个点与围岩接 触 是 最 不 利 的 受
力状态,这种受力情况反映支架在极端非均布载荷
作用下的承载特征.
所示.
图 １ 圆形支架上作用均布载荷
架,如图 ６ 所示.图中粗实线表示支架轮廓线,轴
３ 圆形支架承载特征分析
小,轴力 曲 线 在 支 架 轮 廓 线 外 侧, 表 示 轴 力 为 压
力曲线距 离 支 架 轮 廓 线 的 距 离 表 示 轴 力 数 值 的 大
基于小变形的理论适合分析支架承载过程中几
何形状发生微小变化的情形.如果在支架承载过程
设圆形钢管混凝土支架的半径为 R ,圆周上作
图 ２ 圆形支架承受集中载荷
图 ２ 中圆形支架的等效受力状态可以用 １/４ 支
用径向均布 载 荷 为 q. 用 N 、M 分 别 表 示 载 荷 作
架表示,如图 ３ 所 示.A、B 两 点 的 转 角 为 零,A
用下圆形支架处于最有利的受力状态,支架上不产
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由于圆形支架内力分布的对称性,仅给出了 １/４ 支
架圆弧段.
由图 ５ 可以看出,均布载荷作用下,支架中产
生了均匀分布的轴力,弯矩接近零.支架中最大轴
力为 ５００kN,相当于支架临界轴力限值 ６１５kN 的
图 ４ 支架基本体系受力分析
借助虚功原理求解超静定结构支座反力的方
法,利用 A 点转角为零这个条件,可以得到 M A :
显示,圆形钢管混凝土支架在两个对称点受集中载荷影响,当集中载荷引起支架弯矩急剧上
升,支架承载能力大幅度降低;当 集 中 载 荷 控 制 在 轴 力 限 值 的 ０
３％ ~３％ 范 围 内 时, 支 架
的承载能力保持稳定,大约相 当 于 临 界 均 布 载 荷 的 ６９％ . 通 过 进 一 步 研 究, 认 为 圆 形 钢 管
混凝土支架适合在深部矿井压力差较小的巷道应用.
关键词 承载能力 圆形钢管混凝土支架 数值模拟 巷道支护
中图分类号 TD３５３ 文献标识码 A
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中国煤炭第 ４５ 卷第 ４ 期 ２０１９ 年 ４ 月
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支护机理分析和承载特征的数值模拟两种途径对复
杂受力状态下圆形钢管混凝土支架承载能力的变化
特征进行了深入研究,以期为圆形钢管混凝土支架
的设计和应用提供理论依据.
(
N ＝qR
１ 引言
指标.很多研究人员对钢管混凝土结构进行了短柱
近年来,我国煤矿开采深度逐年增加,开采深
轴向加载 试 验, 分 析 了 影 响 其 抗 压 强 度 的 各 种 因
度超出１０００m 的矿井达到３０ 多处,巷道支护难度
素.另外一些学者研究了钢管混凝土柱在压、弯组
越来越大.钢管混凝土结构具有很高的轴向抗压强
PR
(
MA ＝
５)
π
由此可以得到在集中载荷 P 作用下,１/４ 支架
的弯矩和轴力分布公式如下:
c
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sΦ １
M (Φ ) ＝PR (
－ )
２
π
(
６)
P
(
N (Φ ) ＝ cosΦ
７)
２
由于支架结构和载荷的对称性,其余 ３/４ 支架
８１％ ,而支架中的最大弯 矩 为 ０
１６kN m, 相 当
５８
中的最大弯矩为 ２３
９kNm,相当于弯矩限值 ３０
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中国煤炭第 ４５ 卷第 ４ 期 ２０１９ 年 ４ 月
荷qcr的 ７０％ ;P ＝１kN.
★ 煤炭科技 开拓与开采 ★
圆形钢管混凝土支架支护承载力研究
贾金河
(天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,１０００１３)
摘 要 为了揭示深部 煤 矿 井 下 复 杂 受 力 状 态 下 钢 管 混 凝 土 支 架 支 护 承 载 力 的 变 化 规
律,采用支护机理分析和数值模型的方法,研究圆形钢管混凝土支架的承载特征.研究结果
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强度 ４００ MPa,混凝 土 强 度 ４０ MPa. 钢 管 混 凝 土
支架轴力限值 Nu＝６１５kN,弯矩限值 M u＝３０kN
m.圆形钢管混凝土支架发生失稳破坏的临界载
图 ３ 圆形支架等效受力图
荷为 ２４６kN/m.
３
３ 实例分析
当钢管混凝土支架仅有均布载荷作用 时,取 q
＝２００kN/m,支架的轴力和弯矩分布如图 ５ 所示.
发生结构失稳破坏的临界载荷qcr为:
３EI
qcr ＝ ３
R