专利名称：一种封闭金属支架结构及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种可应用于软岩隧道支护结构的金属支架结构及其施工方法，属于隧道(巷道)结构支护技术领域。
背景技术：
传统的软岩隧道(巷道)支护结构，如平腹板工字钢支架构件(图1所示)，它由上翼缘1、下翼缘2和平腹板9组成，通常腹板的抗剪承载力和抗剪屈曲强度较低，相当一批刚性支架与围岩的变形不相适应。与此同时，传统的U型钢构件(如图2所示)支护反力有限，有时难以满足支护要求。波形钢腹板工型构件(如图3所示)具有抗剪屈曲强度高， 采用厚度较薄的波形腹板就能使抗剪承载力显著提高，从而可以有效地减轻结构的自重及增加围岩的稳定性，其最突出的优点是由于腹板类似“手风琴”因为能适应软岩的大变形而产生轴向变形。
发明内容
本发明的目的是为了使支护结构适应软岩巷道中大变形特点，提出一种能提高支护结构承载力的具有波形钢腹板工型截面的封闭金属支架结构。本发明的技术方案如下一种具有波形钢腹板工型截面构件的封闭金属支架结构，其中各段构件由上翼缘、下翼缘和波形钢腹板组成，上翼缘、下翼缘分别与波形钢腹板焊接而成，波形钢腹板的波形为正弦波、梯形波形或三角形波形；各段构件弯成支架所需形状后，相邻构件的波形钢腹板通过焊缝分别与第一连接端板和第二连接端板连接，相邻构件的上翼缘通过螺栓与开孔的上翼缘盖板连接，相邻构件的下翼缘通过螺栓与开孔的下翼缘盖板连接，上翼缘盖板和下翼缘盖板的开孔为长椭圆型螺栓孔，当支架结构承受外力时，螺栓能在长椭圆型螺栓孔内移动以适应上翼缘和下翼缘轴向变形的需要。本发明的技术特征还在于长椭圆型螺栓孔的开孔长度不小于上下翼缘之间长度的一半；端板之间还用螺栓拼接。本发明还提供一种使用如上所述的封闭金属支架结构进行隧道支护的施工方法， 包括上翼缘、下翼缘和波形钢腹板的焊接及构件的现场拼接，具体步骤为①在工厂将上翼缘、下翼缘和波形钢腹板制作完成；②将上翼缘和下翼缘分别与波形钢腹板焊接以形成波形钢腹板工型截面构件；③在弯制机器上将波形钢腹板工型截面构件弯成隧道支架的形状，运至施工现场；④将相邻构件的波形钢腹板分别与第一连接端板和第二连接端板焊接，然后第一连接端板和第二连接端板再通过螺栓拼接，采用下翼缘盖板通过螺栓连接相邻构件的下翼缘，采用上翼缘盖板通过螺栓连接相邻构件的上翼缘以形成支架结构。本发明相对于现有技术具有以下优点①制作加工简单，安装方便。波形腹板的翼缘和腹板均为工厂制作，易于保证质量，现场只需将各段支架通过端板或是开孔盖板用法兰或螺栓进行连接，安装方便，能够明显提高结构的综合效益，②波形钢腹板具有很高的抗剪承载力，在高厚比很大的情况下依然不容易发生屈曲，通过端板连接后能独立承受较高的剪切力以适应马蹄形断面隧道中软岩的大变形。③本发明中腹板呈波形状，类似“手风琴”，可以产生沿支架轴向的变形，与此同时翼缘通过开孔盖板连接，其中开孔盖板的螺栓开孔类型为长椭圆型，翼缘承受轴力时通过调整螺栓在长椭圆孔内的位置也能产生沿支架轴向的变形，这种可缩性节点连接方式使得支架结构能够适应软岩产生的大变形，稳定性能良好。
图1为传统的钢腹板工型构件示意图。图2为传统的U型钢构件示意图。图3为具有波形钢腹板工型截面构件示意图。图4为马蹄形隧道(巷道)断面的支架形式示意图。图5为用于马蹄形隧道(巷道)断面的波形钢腹板工型局部构件示意图。图6为各段构件的连接示意图。图7为下翼缘开孔盖板的平面图。图中1-上翼缘；2-下翼缘；3-波形钢腹板；4-第一连接端板；5-马蹄形隧道(巷道)断面；6-螺栓；7-第二连接端板；8-U型构件；9-平腹板；10-下翼缘盖板；11-上翼缘盖板；12-长椭圆型螺栓孔
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的结构、施工过程作进一步描述。本发明提供了一种能够提高软岩隧道(巷道)支护结构承载力，且能适应软岩隧道(巷道)围岩大变形特点的具有波形钢腹板工型截面的封闭金属支架结构。如图3和图 5所示，波形腹板工型构件由上翼缘1、下翼缘2和波形钢腹板3组成。波形钢腹板3和上翼缘1、下翼缘2分别焊接而成，工型构件弯成支架所需形状后波形钢腹板3分别通过焊缝与第一连接端板4和第二连接端板7连接，上翼缘1和下翼缘2通过螺栓6分别与开孔的上翼缘盖板11和下翼缘盖板10连接，其中上翼缘盖板11和下翼缘盖板10的开孔形状为长椭圆型螺栓孔12，以适应上翼缘1和下翼缘2轴向变形的需要，长椭圆型螺栓孔12的开孔长度不小于上下翼缘之间长度的一半，支架拼装完毕承受外力时，螺栓6会沿长椭圆形孔移动，直至变形稳定。本发明的封闭金属支架结构的施工工序为本发明所述的用于软岩隧道(巷道)支护结构中的具有波形钢腹板工型截面的封闭金属支架结构的施工工序由上下翼缘、波形钢腹板的焊接及现场各段构件的拼接等几部分组成。在工厂将上翼缘1、下翼缘2和波形钢腹板3制作完成后将上翼缘1、下翼缘2和波形钢腹板3焊接(如图3所示)，然后在弯制机器上将构件弯成隧道(巷道)支架形状， 运至施工现场，第一连接端板4和第二连接端板7与波形钢腹板3分别焊接，第一连接端板 4和第二连接端板7通过螺栓6拼接(如图6所示)，采用开孔的上翼缘盖板11通过螺栓6实施上翼缘1的拼接(如图6所示)，采用开孔的下翼缘盖板10通过螺栓6实施下翼缘 2的拼接(如图6、7所示)，其中盖板的开孔类型为长椭圆型孔。
权利要求
1.一种具有波形钢腹板工型截面构件的封闭金属支架结构，其中各段构件由上翼缘 (1)、下翼缘(2)和波形钢腹板(3)组成，其特征在于所述上翼缘(1)、所述下翼缘(2)分别与所述波形钢腹板(3)焊接而成，所述波形钢腹板(3)的波形为正弦波、梯形波形或三角形波形；各段构件弯成支架所需形状后，相邻构件的所述波形钢腹板(3)通过焊缝分别与第一连接端板(4)和第二连接端板(7)连接，相邻构件的所述上翼缘(1)通过螺栓(6)与开孔的上翼缘盖板(11)连接，相邻构件的所述下翼缘(2)通过螺栓(6)与开孔的下翼缘盖板(10)连接，其中所述上翼缘盖板(11)和所述下翼缘盖板(10)的开孔为长椭圆型螺栓孔 (12)，当所述支架结构承受外力时，螺栓能在所述长椭圆型螺栓孔(1 内移动以适应所述上翼缘(1)和所述下翼缘(2)轴向变形的需要。
2.根据权利要求1所述的封闭金属支架结构，其特征在于所述长椭圆型螺栓孔(12) 的开孔长度不小于所述上翼缘(1)和所述下翼缘(2)之间长度的一半。
3.根据权利要求1所述的封闭金属支架结构，其特征在于所述第一连接端板(4)和所述第二连接端板(7)之间还用螺栓拼接。
4.使用根据权利要求1-3中任一项所述的封闭金属支架结构进行隧道支护的施工方法，所述方法包括上翼缘(1)、下翼缘(2)和波形钢腹板(3)的焊接及构件的现场拼接，具体步骤为①在工厂将所述上翼缘(1)、所述下翼缘(2)和所述波形腹板(3)制作完成；②将所述上翼缘(1)和所述下翼缘( 分别与所述波形腹板( 焊接以形成所述波形钢腹板工型截面构件；③在弯制机器上将所述波形钢腹板工型截面构件弯成隧道支架的形状，运至施工现场；④将相邻构件的所述波形钢腹板(3)分别与所述第一连接端板(4)和所述第二连接端板(7)焊接，然后所述第一连接端板(4)和所述第二连接端板(7)再通过螺栓(6)拼接，采用所述下翼缘盖板(10)通过螺栓(6)连接相邻构件的所述下翼缘O)，采用所述上翼缘盖板(11)通过螺栓(6)连接相邻构件的所述上翼缘(1)以形成支架结构。全文摘要
本发明涉及一种具有波形钢腹板工型截面构件的封闭金属支架结构。该波形钢腹板工型截面构件由上翼缘、下翼缘和波形钢腹板组成，波形钢腹板和上下翼缘焊接连接。各段构件弯成支架所需形状后波形腹板通过端板焊接连接，上、下翼缘通过螺栓与开孔的盖板连接。本发明中波形钢腹板通过端板连接后能产生支架轴线的变形，另一方面翼缘承受轴力时通过调整螺栓在开孔内的位置来适应支架的轴向变形，此可伸缩的节点连接方式能较好地适应软岩的大变形。同时端板和盖板的制作加工简单，安装方便，经济合理，能够明显提高结构的综合效益。本发明可应用于软岩隧道支护的技术领域。
文档编号E21D11/14GK102505946SQ20111037068
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者余珍, 吴丽丽 申请人:中国矿业大学(北京)