一种钢管混凝土拱架承载力确定方法技术

本发明专利技术公开了一种钢管混凝土拱架承载力确定方法，包括以下步骤：步骤(1)：建立钢管混凝土拱架的力学计算模型，从拱架上取出的截面为控制截面S，预设其数量的个数为t；步骤(2)：计算第i个控制截面Si的内力，其中1≤i≤t；步骤(3)：根据正偏心判据和负偏心判据来判断拱架的控制截面Si是否达到极限承载力；步骤(4)：求解钢管混凝土拱架的承载力，所述钢管混凝土拱架的承载力为在拱架上首次出现的控制截面Si所达到的极限承载力；若控制截面Si达到极限承载力，则钢管混凝土拱架的承载力Qy为：Qy＝∫qyds，qy为控制截面Si上的载荷。

【技术实现步骤摘要】
一种钢管混凝土拱架承载力确定方法
本专利技术涉及一种矿山巷道、隧道、水电硐室、地铁等工程支护结构的承载能力的计算方法，尤其涉及一种钢管混凝土拱架承载力确定方法。
技术介绍
随着我国基础设施建设的迅速发展，越来越多的工程如矿山硐室、巷道，水利水电，铁路、公路、地铁隧道等工程面临恶劣地质条件。以煤矿巷道工程为例，截止到2013年下半年，我国开采深度超过1000m的矿井已达到47处，煤矿开采进入深部以后，支护问题凸显，现有的锚网喷支护及常用高强U型钢支护难以满足巷道的安全及使用要求。目前国内多个深部矿区采用的U36钢支架均出现了屈服、断裂的现象，且矿用U36钢每米钢材重量为35.87kg/m，用钢量大，性价比不高。同时，U型钢支架因为其独特的截面形式，和围岩一般是以点、线接触为主，结构上的应力集中现象使支护结构受损，支撑能力得不到充分发挥，降低了材料利用率，支护效果得不到保障。近年来，钢管混凝土拱架作为一种新型高强支护技术取得较快发展。目前使用的钢管混凝土支架，是将直的空钢管根据巷道支护需要，热煨加工成需要的形状，加工时将钢管分为数段。空钢管拱架进行井下安装对接，安装完成后使用混凝土输送泵将混凝土材料灌注到钢管中。混凝土经过养护凝固后受到钢管的约束作用，处于三向受压状态的混凝土在承受外界作用力时，可以大大改善钢管内混凝土的塑性破坏程度，同时延缓局部钢管的内凹失稳。1970年代初，日本青函海底隧道，用圆形钢管内注水泥沙浆代替了一般H型钢，顺利通过了断层带；1980年代，铁道部第五工程局科研所将钢管混凝土支架在南岭隧道不良地质段支护中使用，钢管混凝土支撑较其他型钢支撑可少用钢材38％-54％；2008年，谷拴成将钢管混凝土拱架应用在地铁隧道中，钢管混凝土拱架的支护成本仅为格栅拱架的61％，说明钢管混凝土拱架具有良好的经济效益。1995年，臧德胜在平顶山矿务局进行了钢管混凝土工业性试验，在同等承载力条件下，钢管混凝土支架比U型钢支架要节约钢材30％左右，至少降低造价20％以上。同期，臧德胜等进行了钢管混凝土支架的室内模拟试验和数值试验，发现钢管混凝土支架具有很高的承载力，能满足高围压地下结构的支护要求。孙庄煤矿进行了软岩锚喷中钢管混凝土与钢拱圈等效性的研究，表明钢管混凝土支架在经济上有很高的效益，在技术上有可靠的等效置换性。2008年开始至今，高延法、李术才、李为腾等通过理论分析和试验研究，进行了相关研究和改进，陆续在开滦钱家营矿、鹤岗南山矿、杨庄煤矿、赵楼煤矿等进行了钢管混凝土(约束混凝土)拱架的现场推广使用，取得了较好的效果。总体上来讲，钢管混凝土拱架支护技术体现出高强、高刚的特点，支护阻力是同等用钢量U型钢支架的2～3倍，在现场实践中取得较好效果，适用于各种高地应力、破碎、难支护的巷道、隧道、硐室支护工程。目前钢管混凝土拱架在现场实践中已经体现出明显优势，但是其承载力的有效确定方法尚未出现，限制了设计体系的形成，制约了钢管混凝土拱架的进一步发展和推广应用。
技术实现思路
本专利技术针对的问题是目前钢管混凝土拱架支护技术中的核心构件—钢管混凝土拱架的承载力无法有效确定的问题，提供了一种钢管混凝土拱架承载力确定方法。本专利技术具体采用以下技术方案实现的：一种钢管混凝土拱架承载力确定方法，包括以下步骤：步骤(1)：建立钢管混凝土拱架的力学计算模型，从拱架上取出的截面为控制截面S，预设其数量的个数为t，其中t为正整数；步骤(2)：计算第i个控制截面Si的内力，其中1≤i≤t；步骤(3)：根据正偏心判据和负偏心判据来判断拱架的控制截面Si是否达到极限承载力；步骤(4)：求解钢管混凝土拱架的承载力，所述钢管混凝土拱架的承载力为在拱架上首次出现的控制截面Si所达到的极限承载力；若控制截面Si达到极限承载力，则钢管混凝土拱架的承载力Qy为：Qy＝∫qyds其中，qy为控制截面Si上的载荷。所述正偏心判据的判断过程为：若ni≥[ni+]成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式f(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立，则控制截面Si未达到极限承载力；若ni≥[ni+]不成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式f’(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立，则控制截面Si未达到极限承载力；其中，ni为控制截面Si的轴力因数，mi为控制截面Si的弯矩因数。所述负偏心判据的判断过程为：若ni≥[ni-]成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式h(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立则控制截面Si未达到极限承载力；若ni≥[ni-]不成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式h’(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立则控制截面Si未达到极限承载力。所述的判据表达式f(ni,mi)、f’(ni,mi)、h(ni,mi)和h’(ni,mi)的表达式分别为：弯矩为正时，[ni+]＝2η0，f(ni,mi)＝n+a·βm·mf'(ni,mi)＝-b·n2-c·n+βm·m弯矩为负时，[ni-]＝2λη0，h(ni,mi)＝λn+λa·βm·mh'(ni,mi)＝-λb·n2-λc·n+λβm·m其中，ni为截面Si的轴力因数，为截面Si所受轴力N与极限轴力Nue之比；mi为截面Si的弯矩因数，为截面Si所受轴力M与极限轴力Mue之比。[ni+]为正偏心时的容许轴力因数，[ni-]为负偏心时的容许轴力因数；λ为负偏心判据系数；βm为等效弯矩系数，ξ为约束效应系数，η0、ζ是与ξ有关的系数，a、b、c是与η0、ζ有关的系数。所述钢管混凝土拱架的控制截面的形状为圆形或方形或U形。本专利技术所产生的有益效果：(1)本专利技术解决了钢管混凝土拱架这种新型支护技术中核心构件-钢管混凝土拱架的承载力确定问题，且确定过程科学合理，计算结果可靠，计算误差可控。(2)本专利技术的适用对象为钢管混凝土拱架，截面形式可以是圆形、方形、U形或中空等多种形状，适用的工程领域包括矿山巷道及硐室、公路铁路隧道、地铁隧道、水电硐室及隧道等工程的围岩支护及控制。附图说明图1为本专利技术钢管混凝土拱架承载力的确定方法流程图；图2为本专利技术钢管混凝土拱架承载力的确定方法实施例示意图；图3为本专利技术实施例的拱架的内力计算力学模型；图4为本专利技术实施例得到的拱架内力图；图5为UCC29截面正弯情况下的截面极限强度判据的图形表达；图6为UCC29截面反弯情况下的截面极限强度判据的图形表达。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步说明，实施例为某煤矿巷道钢管混凝土拱架承载力确定方法。本专利技术实施条件：某钢管混凝土直腿半圆拱架轴线半径R＝2.8m，直腿部分高度H＝1.65m，截面形式为UCC29，核心混凝土标号为C40；左右对称；拱架约束混凝土构件的抗弯刚度EI＝ks＝2356kN·m2，计算该拱架的屈服承载力。本专利技术较佳的具体实施方式是：1、赋初始值在拱架所受荷载未知的情况下，初始荷载q0是指在进行第一步计算时，施加在拱架上的荷载；荷载步距Δq是指在进行下一步计算时，比上一步计算时施加在拱架上的荷载的增量，荷载步距Δq越小则本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢管混凝土拱架承载力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立钢管混凝土拱架的力学计算模型，从拱架上取出的截面为控制截面S，预设其数量的个数为t，其中t为正整数；步骤(2)：计算第i个控制截面Si的内力，其中1≤i≤t；步骤(3)：根据正偏心判据和负偏心判据来判断拱架的控制截面Si是否达到极限承载力；步骤(4)：求解钢管混凝土拱架的承载力，所述钢管混凝土拱架的承载力为在拱架上首次出现的控制截面Si所达到的极限承载力；若控制截面Si达到极限承载力，则钢管混凝土拱架的承载力Qy为：Qy＝∫qyds其中，qy为控制截面Si上的载荷。

【技术特征摘要】
1.一种钢管混凝土拱架承载力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)：建立钢管混凝土拱架的力学计算模型，从拱架上取出的截面为控制截面S，预设其数量的个数为t，其中t为正整数；步骤(2)：计算第i个控制截面Si的内力，其中1≤i≤t；步骤(3)：根据正偏心判据和负偏心判据来判断拱架的控制截面Si是否达到极限承载力；步骤(4)：求解钢管混凝土拱架的承载力，所述钢管混凝土拱架的承载力为在拱架上首次出现的控制截面Si所达到的极限承载力；若控制截面Si达到极限承载力，则钢管混凝土拱架的承载力Qy为：Qy＝∫qyds其中，qy为控制截面Si上的载荷；所述步骤(3)中正偏心判据的判断过程为：若ni≥[ni+]成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式f(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立，则控制截面Si未达到极限承载力；若ni≥[ni+]不成立，则截面Si的内力值代入判据表达式f’(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立，则控制截面Si未达到极限承载力；其中，ni为截面Si的轴力因数，为截面Si所受轴力N与极限轴力Nue之比；mi为截面Si的弯矩因数，为截面Si所受轴力M与极限轴力Mue之比；[ni+]＝2η0，为正偏心时的容许轴力因数；η0是与约束效应系数有关的系数。2.如权利要求1所述的一种钢管混凝土拱架承载力确定方法，其特征在于，所述步骤(3)中负偏心判据的判断过程为：若ni≥[ni-]成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式h(ni,mi)<1判断是否成立，若不成立，则控制截面Si达到极限承载力，若成立则控制截面Si未达到极限承载力；若ni≥[ni-]不成立，则控制截面Si的内...

【专利技术属性】
技术研发人员：李为腾，梅玉春，王书庆，张浩杰，李建伟，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37