一种钢管混凝土拱架承载力确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种矿山巷道、隧道、水电桐室、地铁等工程支护结构的承载能力的计 算方法，尤其设及一种钢管混凝±拱架承载力确定方法。
【背景技术】
[0002] 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桐室、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。W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W后，支护问题凸 显，现有的错网喷支护及常用高强U型钢支护难W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W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。
[0003] 近年来，钢管混凝±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±支架，是将直的空钢管根据巷道支护需要，热腰加工成需要的形状，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±输送累将混凝±材料 灌注到钢管中。混凝±经过养护凝固后受到钢管的约束作用，处于=向受压状态的混凝± 在承受外界作用力时，可W大大改善钢管内混凝±的塑性破坏程度，同时延缓局部钢管的 内凹失稳。
[0004] 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±支架在南岭隧道不 良地质段支护中使用，钢管混凝上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±拱架应用在地铁隧道中，钢管混凝±拱架的支护成本仅为格栅拱架的 61 %，说明钢管混凝±拱架具有良好的经济效益。
[0005] 1995年，臧德胜在平顶山矿务局进行了钢管混凝±工业性试验，在同等承载力条 件下，钢管混凝上支架比U型钢支架要节约钢材30%左右，至少降低造价20% W上。同期， 臧德胜等进行了钢管混凝±支架的室内模拟试验和数值试验，发现钢管混凝±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错喷中钢管混凝± 与钢拱圈等效性的研究，表明钢管混凝±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，陆续在开凍钱家营矿、鹤岗南山矿、杨庄煤矿、赵楼煤矿等进行了钢管混 凝± (约束混凝±)拱架的现场推广使用，取得了较好的效果。
[0006] 总体上来讲，钢管混凝±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、桐室支护工程。
[0007] 目前钢管混凝±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±拱架的进一步发展和推广应 用。
【发明内容】
[000引本发明针对的问题是目前钢管混凝±拱架支护技术中的核屯、构件一钢管混凝± 拱架的承载力无法有效确定的问题，提供了一种钢管混凝上拱架承载力确定方法。
[0009] 本发明具体采用W下技术方案实现的：
[0010] 一种钢管混凝±拱架承载力确定方法，包括W下步骤：
[ocm] 步骤（1);建立钢管混凝±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；
[001引步骤似；计算第i个控制截面Si的内力，其中1《i《t ;
[0013] 步骤（3);根据正偏屯、判据和负偏屯、判据来判断拱架的控制截面Si是否达到极限 承载力；
[0014] 步骤（4);求解钢管混凝±拱架的承载力，所述钢管混凝±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S i达到极限承载力，则钢管 混凝±拱架的承载力Qy为：
[0015] Qy= / q yds
[0016] 其中，q,为控制截面Si上的载荷。
[0017] 所述正偏屯、判据的判断过程为：
[001引若[n 1+]成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式f (n。叫)<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S i未达到极限承载 力；
[0019] 若[n J不成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式f' (11。叫)<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S i未达到极限承 载力；
[0020] 其中，n;为控制截面S i的轴力因数，m i为控制截面S i的弯矩因数。
[0021] 所述负偏屯、判据的判断过程为：
[00。] 若[nj成立，则控制截面Si的内力值代入判据表达式h(n。叫)<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S i未达到极限承载力； [002引若[nj不成么则控制截面Si的内力值代入判据表达式h' (n。叫)<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S i未达到极限承载 力。
[0024] 所述的判据表达式f (n。叫）、f' (n。叫）、h(n。叫）和h' (n。叫）的表达式分别为；
[0025] 弯矩为正时，[nj = 2n。，
[00%] f (n。叫）=n+a ? 0 m ? m
[0027] f '（n。叫）=-b ? n2-c ? n+ 0 m ? m
[002引弯矩为负时，Dv] = 2 A n。，
[0029] h (n。叫）=入 n+入 a. Prn.m
[0030] h'（n。叫）=-入 b ? n]-入 c.n+入 Prn.m
[0031] 其中，叫为截面S i的轴力因数，为截面S i所受轴力N与极限轴力Nu。之比；m i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。[nj为正偏屯、时的容许轴力 因数，[rv]为负偏屯、时的容许轴力因数；A为负偏屯、判据系数；0 m为等效弯矩系数，C为 约束效应系数，n。、C是与C有关的系数，a、b、c是与n。、C有关的系数。
[0032] 所述钢管混凝±拱架的控制截面的形状为圆形或方形或U形。
[0033] 本发明所产生的有益效果：
[0034] (1)本发明解决了钢管混凝上拱架该种新型支护技术中核屯、构件-钢管混凝上拱 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。
[0035] (2)本发明的适用对象为钢管混凝±拱架，截面形式可W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桐室、公路铁路隧道、地铁隧道、水电桐室 及隧道等工程的围岩支护及控制。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明钢管混凝±拱架承载力的确定方法流程图；
[0037] 图2为本发明钢管混凝±拱架承载力的确定方法实施例示意图；
[003引图3为本发明实施例的拱架的内力计算力学模型；
[0039] 图4为本发明实施例得到的拱架内力图；
[0040] 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；
[004U 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】
[0042] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，实施例为某煤矿巷道钢管混凝± 拱架承载力确定方法。
[0043] 本发明实施条件；某钢管混凝±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,核屯、混凝±标号为C40 ;左右对称；拱架约束混凝±构件的抗 弯刚度EI = k