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1、薄壁钢管混凝土在巷（隧）道支护中的应用研究科研开发薄壁钢管混凝土在巷(隧)道支护中的应用研究*侯和涛金延俊邱灿星(山东大学土木工程学院,济南250061)摘要:目前薄壁钢管混凝土在巷(隧)道支护中的应用较少;然而,围岩支护和薄壁钢管混凝土的相关研究均已展开,且相关的试验方法和数值模拟都取得了有益的结论,对这些研究成果进行总结,并对今后的研究工作进行展望.结果表明,与普通的型钢支架巷道支护相比,薄壁钢管混凝土具有承载力高,成本低,与围岩的协同作用好等优势,但仍有许多关键技术问题亟待解决,如薄壁钢管混凝土与围岩的耦合作用,如何设置合理的构造措施保证其承载力的稳定发挥以及适用于工程实践的简化计算方法
2、等.关键词:薄壁钢管混凝土;巷(隧)道支护;耦合作用STUDYoNAPPLICATloNoFCoNCRETEFILLEDTHINWALLEDSTEELTUBESINROADWAY(TUNNEL)SUPPORTINGHouHetaodinYanjunQiuCanxing(SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)ABSTRACT:Atpresent,itiSnotcommontousec0ncretef|11edthinwalledsteeltubesastheroadway(tunne1)supporting.H
3、owever,therearelotsofresearchesonsurroundingrocksupportsandconcretefilledthinwalledsteeltubesrespectively,andplentyofavailableconclusionsofrelevanttestmethodsandnumericalsimulationshavebeenobtained.Thispaperistomakeasummaryoftheseresultsandthenaoutlookforthefuturestudyisraised.Itisconcludedthattheco
4、ncretefilledthinwalledsteeltubeisofhigherbearingcapacity,goodcooperationwithsurroundingrocksaswe!IaslowerCOSt.ButsomecriticaIproblemsstillneedtObesolved,suchasthecouplingeffectbetweentheconcrete-filledthin-walledstee1tubeandsurroundingrocks,howtoensureitsstablebearingcapacitythroughproperconstructio
5、nmeasureandsimplifiedcalculationmethodforengineeringpractice.KEYWORDSconcrete-filledthinwalledsteeltube;roadway(tunne1)supporting;couplingeffect1概述薄壁钢管混凝土是在薄壁钢管中填充高性能混凝土形成的构件,其工作原理与普通钢管混凝土相似,利用钢管的约束使核心混凝土处于三向受压状态从而有效提高混凝土的强度和抗变形能力;同时通过混凝土的填充提高钢管的稳定性,保证了两种材料性能的充分发挥.但薄壁钢管混凝土管壁更薄,因此能够有效减少用钢量和焊接工作量,降低工程
6、造价n.目前该技术主要应用于高层民用住宅以及大跨度拱桥等工程中.目前,巷(隧)道的主要支护手段有砌碹,混凝土衬砌,注浆,锚杆,锚索以及各种支架支护(U型钢为主)【l3.钢管混凝土支架作为一种新型的支护手段,与普通型钢支架相比具有承载力高,成本低,与围岩结合作用好等优点,但由于支架结构形式与支护工艺等原因未能得到广泛应用,薄壁钢管混凝土巷(隧)道支护的相关研究鲜有进展.本文总结了钢管混凝土支架以及薄壁钢管混凝土的大量研究成果,并且在支护理论的研究基础上,提出了构造薄壁钢管混凝土屈曲耗能连接的新想法.2钢管混凝土支架的研究现状2.1理论研究谷拴成等运用结构力学的方法分析了圆弧形圆钢管混凝土支架在径
7、向荷载作用下的受力情况,提出了钢管混凝土支护的计算模型,并运用该模型计算了实际工程中钢管混凝土的承载力和用钢量,分别与H型钢和格栅钢拱架支护进行了比较.结果表明,采用相同没计形式时,钢管混凝土支架具有更高的承载力和更好的稳定性,而总用钢量仅为型钢支架的35.5,支护成本是格栅支架的61%5_6j.*lh东大学自主创新基金自然科学类专项资助项仔(2009TS091).第一作者:侯和涛,舅,1970年m生.副教授,硕导,国家一级注册结构程师.Email:houhetao】63.toni收稿日期:2010102528钢结构2011年第4期第26卷总第145期侯和涛,等:薄壁钢管混凝土在巷(隧)道支护
8、中的应用研究苏林王等用ANSYS模拟J,1/4圆弧形钢管混凝土支架的受力变形过程.其中钢管采用513.5无缝钢管,弯成内径2.5In的圆弧,用Solid45单元模拟;钢管内填的C40混凝土用Solid65元模拟,并假定钢管与混凝土完全粘结.计算结果表明,在对称集中荷载作用下构件属偏心受力状态,且构件拱脚,拱顶等处受力情况最严重,易发牛连接破坏,实际工程中需采取适当的加固措施,这些都与已有的试验结果相吻合.2.2试验研究臧德胜等分别对钢管混凝土拱形支架和半圆直墙拱形整架进行了加载试验,并进行了钢管混凝土支架在煤矿巷道中的现场测试,该支架所支撑的巷道地应力大且围岩发生_r松动,膨胀.结果表明,钢管
9、混凝土支架承载力较高,而且可通过安装叮缩性接头使其具备一定的可缩性,满足巷道的稳定性要求;与型钢相比,钢管混凝土支架承载力高,规格多,可降低用钢量2O以上,降低成本10以上i;.苏林王等进行了1/4圆弧形钢管混凝土支架的径向加载试验.结果表明,在径向荷载作用下,支架受力以大偏心受压为主,且钢管各截面环向拉应变均匀;利用钢管混凝土承载力计算公式计算试验构件的承载力,所得结果为试验结果的0.826,说明公式计算结果有较大的安全储备u.鲁土平捉出钢管混凝土拱架承载力约为U型钢拱架的2.5倍,且支护后同岩稳定性更好,但施工时注浆速度较慢.王长锁等介_r采用钢管混凝土支架加固巷道的工程实例,将+2021
10、00螺纹钢锚杆锚固于巷道围岩上,以保证支架与围岩的紧密结合,同时还设置了混凝土板+木板的双层支架背板,确保支护后支架与围岩的共同变形.由现场观测结果可知,钢管混凝土支架能有效减小高应力巷道围岩的变形,避免维修频繁l】.3薄壁钢管混凝土的理论与试验研究3.1理论研究目前主要采用纤维模型法,能量法及有限元分析法(ABAQUS,ANSYS等)分析薄壁钢管混凝土的受力工作机理.N.E.Shanmugam等采用纤维模型法求得了薄壁方钢管混凝土试件双向偏压下的荷载一变形关系曲线,并提出了钢板轴压和偏压状态下的有效宽度计算方法,数值计算结果与Buy.等进行的单向偏压试验结果相比偏于保守l】.陶忠等分别采用纤
11、维模型法和有限元分析法(ABAQUS软件)研究了薄壁钢管混凝土轴压和偏压下的工作情况和原理,其中有限元方法能更准确地计算钢管和混凝土单元的三向应力并且可以模拟结构的初始缺陷和残余庖力.建模时钢管和加劲肋采用S4R单元,厚度方向采用9个积分点的Simpson积分;核心混凝土采用C3D8R单元并设定塑性破坏模式描述混凝土的非线性行为.结果表明,两种方法的理论计算结果与已有试验结果吻合较好,并提出了适用于实际工程的简化计算公式.陶忠还用ABAQUS建立了空钢管施工阶段的力学模型,为施工组织管理提出了建议_2.曹宝珠等采朋能量法计算丫钢管的板件屈曲临界系数是,结果表明,混凝土强度和管壁宽厚比对是值的影
12、响不大;M.A.Bradford等用有限条法算出r钢管混凝土轴压构件的板什是值(k一9.9910.31).Q.Q.Liang等用有限元软件STRAND6.1分析了薄肇方钢管混凝土柱屈曲后的力学性能,假设板件四边固定,计算了钢板的局部屈曲位移.模型分析了构件的几何缺陷,残余应力以及宽厚比对钢管局部屈曲性能的影响;得出了钢管局部屈曲后板件有效宽度的计算公式.3.2试验研究薄壁钢管混凝土试验研究主要从确定管壁壁厚界限,力学性能以及提高力学性能的构造措施等方面开展.M.D.OShea等研究了圆形薄壁钢管混凝土内填5O,8O,l00MPa三种强度混凝土时轴压,偏压的力学性能.结果表明,内填高强或超高强混
13、凝土时要限制钢管径厚比(D/t),以保证钢管对核心混凝土的约束作用;通过分别进行的空钢管和钢管混凝土的轴压和偏压短柱试验发现,填充混凝土对薄壁圆钢管的极限承载力影响不大,但对方钢管的极限承载力影响较大l2.金伟良等采用09CUP耐候钢钢管内填C5O自密实混凝土制成了薄壁圆钢管混凝土短柱,并对其进行了轴压试验,结果表明,自密实混凝土有足够的抗压强度,同时它的存在还有效改善了钢管的受力性能.张耀春等分别对薄擘钢管混凝土圆形短柱,方形和八边形长柱及短柱进行了轴压试验,结果表明,核心混凝土能提高钢管的局部稳定;对于短柱,圆钢管稳定性的提高比其他两种截面构件明显,而长柱在破坏前均发生了钢管的局部屈曲;方
14、形试件表现为弯曲屈曲破坏,而八边形柱表现为强度破SteelConstructJon.201l(4),Vo1.26,NO.14529科研开发坏.Buy.等进行了方钢管混凝土轴压,纯弯和偏压荷载下的力学试验,结果表明,即使宽厚比(B/t)达到100,方钢管混凝土仍具有较好的延性和后期承载力2.H.B.Ge等分别对内部焊有纵向加劲肋的薄壁方钢管混凝土和同规格无肋试件进行了轴压试验,结果表明,纵向加劲肋能延缓方钢管的局部屈曲,提高试件承载力2引.陈勇等对无肋,单向直肋,双向直肋以及斜肋方形薄壁钢管混凝土长柱分别进行了轴压和偏压试验,并用正交试验设计和多元回归的方法研究了试件的初始偏心距和直肋集合长度对
15、其极限承载力的影响,结果表明,直肋和斜肋均能有效改善薄壁钢管混凝土的力学性能2驯.陶忠等通过轴压和偏压试验研究了薄壁钢管混凝土截面形式,长细比,钢材屈服强度,加劲肋,混凝土抗压强度等对构件受力性能的影响,结果表明,在加劲肋上焊接钢筋和在混凝土中掺加钢纤维都能有效改善试件延性.但前一种方法对偏压试件作用不明显,而后一种方法不能延缓钢管的局部屈曲.卜33l.4基于围岩支护理论的节点设计4.1围岩支护理论的研究新奥法,弹塑性支护理论,松动圈支护理论和耦合支护理论是目前指导巷(隧)道支护工作的主要理论口.新奥法理论中,围岩被视为一种承载结构而不是荷载,支护的目的是要保持围岩与支护的共同变形,最大限度发
16、挥围岩自承能力.新奥法认为支护既要有一定的刚度防止围岩过度变形,又要有适当的柔性保证围岩与支护的变形协调作用3卯.弹塑性支护理论认为巷(隧)道支护的对象是围岩的弹塑性变形和处于弹塑性状态的围岩.但郭志宏等指出弹塑性变形是瞬间发生的,而实际上支护不可能立即与围岩密切贴合,因此围岩的弹塑性变形不对支护产生变形压力,也不应是支护的主要对象.松动圈理论由董方庭最早提出,强调支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形,而不是阻止围岩的松动破坏,这与弹塑性理论完全不同.从围岩松动圈分类表中可以看出,当松动圈厚度达到100cm以上时,刚性支护一般会发生破坏,在这种巷(隧)道中最好采取可缩性或
17、柔性支护方法3们.耦合支护理论要求支护的强度,刚度,变形要与围岩的特性相协调,最大限度发挥围岩自承能力,实现支护一体化,荷载均匀化和巷道稳定的目的.何满潮等指出,型钢支架和普通锚杆支护在一些软岩巷(隧)道中应用时发生了严重的破坏,原因是与围岩在力学性能上不耦合,两者共同作用小且支架受荷不均匀,因此支护大部分发生局部破坏,承载力得不到充分的发挥.钢管混凝土支架一般为圆形或半圆直墙拱形,整个钢管昆凝土支架由几段钢管混凝土通过法兰盘或套管连接而成.试验模拟结果表明,在达到钢管混凝土支架极限承载力时结构主要发生平面外失稳和套管崩裂破坏.根据围岩支护理论可以推断,仍应采取一定的措施改善支护与围岩的剐度不
18、耦合情况(增加柔性和可缩性);现有的节点连接方式不能很好地改善结构的受力性能.4.2节点设计研究BRB屈曲约束支撑(BucklingRestrainedBraces)受压时不会发生屈曲失稳,具有良好的刚度,滞回性能和耗能能力,目前主要应用于高层钢结构建筑及已有结构的抗震加固工程中.BRB屈曲约束支撑主要由钢核心构件,外约束构件(钢管,混凝土)和无粘结材料等3部分组成.其工作机理是:核心芯材承受全部轴向力,外围钢管和混凝土限制芯材的弯曲避免其发生屈曲,两者之间无粘结材料则减小了由芯材传给外围的力4引.拟根据这些特点对BRB屈曲约束支撑进行适当改进并在薄壁钢管混凝土支护的连接节点处应用,以提高整体
19、结构的延性和耗能能力,使支护与围岩能够在刚度上实现耦合.设计中还应考虑,连接节点破坏后要方便更换和加固,满足工程实践的要求.5结论与展望锚杆等支护方式存在湿作业多,耗时长,污染重等缺点,而以U型钢拱架为主的型钢支护也存在与围岩结合不密切,不能有效发挥承载力,易发生侧向失稳且与围岩共同作用小等问题.与这些支护手段相比,钢管混凝土支护具有很多的优点,用薄壁钢管混凝土代替传统的钢管混凝土能进一步减少用钢量和焊接工程量.针对钢管混凝土支护与围岩刚度不耦合,连接节点处易发生崩裂破坏的问题,考虑在今后的研究工作中,将BRB屈曲约束支撑加以改进用于节点连接,从而提高结构的延性和耗能能力.30钢结构2011年
20、第4期第26卷总第145期侯和涛,等:薄壁钢管混凝土在巷(隧)道支护中的应用研究参考文献1韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术M.北京:中国建筑:业出版社,2004:301333.23陶忠.薄壁钢管混凝土柱的力学性能与设计方法研究D.福州:福州大学,2008.3康红普,千金华,商富强.掘进1一作面同岩应力分布特征及其与支护的父系rj.煤炭,2009,34(12):1585l593.4高延法,工波,王军,等.深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用J.岩石力学与j程,2O1O,29(增刊1):26042608.5谷拴成,刘皓东.钢管混凝土拱架在地铁隧道中的应刷研究J.铁道建筑,2009(1
21、2):5659.6拎成,刘皓东.径向荷载作用下的钢管混凝土支架研究J.煤矿安全,20io(1):1215.7苏林王,王伟.钢管混凝土支架构件受力性能的有限元模拟分析J.水运T程,2005(9):2629.8臧德胜.李安琴.钢管混凝土支架的工程应用研究J.岩土T程,2001,23(3):342344.9臧德胜.钢管混凝土支架的原理和实践J.淮南工,I学院学报,2002,22(2):1316.1o臧德胜,潞.钢管混凝土支架的研究和实验窒试验lJ.建井技术,2001,22(6):2528.苏林王,臧德胜.钢管混凝土支架构件工作性能的模型试验研究J.地下空间与工程,2005,l(3):397400.1
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24、thePostIocaBucklingofSteelPlatesinConcreteFilledBoxColumnsJ.Cornputers&Structures,2000,75(5):479490.2O2I()SheaMD,BridgeRQ.TestsonCircularThinWalledSteelFubesFilledwithMediumandHighStrengthConcreteLRJ.Sydney:UniversityofSydney,1997.OSheaMD,BridgeRQ.TestsonCircularThinWalledSteelTubesFilledwithVer
25、yHighStrengthConcreteR.Sydney:UniversityofSydney,1997.L22joSheaMD,BridgeRQ.IocalBucklingofThinWalledCircularSteelSectionswithorWithoutInternalRestraintR.Sydney:UniversitYofSydney,1997.230SheaMD,BridgeRQ.BehaviourofThinWalledBoxSeetionswithLateralRestraintR.Sydney:UniversityofSydney,1997.24金伟良,张翔,陈驹.
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31、在煤气柜柜预提升中的应用提板.【j8提升邵吊点,支蒽顶提升成功,标志着煤气柜柜顶提升工艺进入新的阶段.这是我国首例将液压装置系统应用到煤气柜柜顶提升工艺中的项目,这种提升工艺要比传统工艺节省工期34d,提升人员可减少约200人,同时节约了大量大型机械台班费约3万4万元.该提升装置具有结构简单灵活,操作方便.使用寿命长,运行速度稳定,系统运行操作自动化高等优点.煤气柜柜顶液压提升工艺有传统提升工艺在安全性,效益忡和可操作性无可比拟的效果.4结语作为一项新的施_T二工艺项目,液压系统在济钢l5万m.煤气柜柜顶提升ll的使用,提高了煤气柜柜顶提升工艺的综合技术含量,提高了施工工作效率,降低了施工人员
32、的劳动强度,加快了煤气柜施工进度,增加了现场文明施1的水平.同时,由于液压系统在煤气柜柜顶提升中的使用,减少了现场施工中人为因素对提升质量的影响,将质量中不易控制的人为因素降到最低,有效地提高了柜顶提升的质量,从而加大了柜顶提升的安全系数.此项技术在济钢煤气柜施工中成功使用,为煤气柜柜顶液压提升工艺施工积累丫丰富的施工经验,并且极大地提高了施工工艺水平.参考文献1倒一昌.机械没计手册液压传动与控制M.北京:机械工,出版社,2007.2辉祖.材料力学M.北京:高等教育出版社,2004.3GB500172003钢结构没计规范s.4刘昭培,张韫美.结构力学M.天津:天津大学m版社,2006.5吗建中
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