钢管混凝土拱架在巷道支护中的发展与现状

为厘清钢管混凝土拱架支护的发展脉络,全面掌握其应用及研究现状,首先对常规U型钢拱架支护现状及问题进行了分析和评述,明确了钢管混凝土拱架支护技术的产生和发展背景。在此基础上,分别从基本原理、现场实践、力学试验、数值模拟、理论计算等方面对发展现状进行了详细分析和阐述。最后,总结了钢管混凝土拱架支护目前的发展形势及显著优势、存在的理论和技术问题及下一步研究重点。主要结论显示：①以2000年为界,可将钢管混凝土拱架支护发展大致分为尝试性实践阶段和研究应用阶段,十余年来发展愈发迅速且获得了良好的支护效果及经济效益反馈;②开展了上百次拱架及构件力学试验,初步掌握了其宏观承载特性,但对承载失效机理的认识尚待深入,同时缺少统一的试验规范;③拱架承载力计算采用轴压极限承载判据,不能满足精度要求;④拱架-围岩相互作用等理论问题及部分关键技术难题,使钢管混凝土拱架支护体系设计理论尚不完善,目前设计施工仍以经验为主。     

矩形钢管混凝土受弯构件材料本构关系与失效判据研究

为了正确评估矩形钢管混凝土(CFST)受弯构件的承载力,提出钢管和核心混凝土材料本构关系的修正模型,建立CFST受弯构件的承载力失效判据。首先,考虑受拉区钢管双轴受拉有利应力状态及受压区钢管双轴拉压不利应力状态,并基于矩形CFST轴压短柱试验数据库,通过回归分析建立约束混凝土峰值应力表达式,在此基础上建立矩形钢管混凝土材料本构关系的修正模型。其次,基于构件承载能力极限状态,并合理考虑受拉区钢管的应变强化段,提出矩形CFST受弯构件的承载力失效判据。最后依据纤维模型法和试验数据库对比分析CFST受弯构件的不同材料本构关系和失效判据的精度及适用性。结果表明,所建立的CFST构件材料本构关系和承载力失效判据能够更加准确地反映矩形CFST构件的抗弯能力,具有更高的计算精度和广泛的适用性。     

内钢板中空方形钢管混凝土叠合柱轴压力学性能研究

为研究中内钢板中空方形钢管混凝土（CFST）叠合柱的轴压力学性能,以内钢板与钢管的强度和壁厚为参数对8个叠合短柱进行轴压试验,以截面尺寸、钢管内外混凝土强度、钢材强度、纵筋与钢管用钢量分配为参数对81个叠合短柱进行有限元分析,对典型构件受力全过程、各部分接触作用以及承载力进行研究。在美国结构设计规范ANSI/AISC 360-16、欧洲钢结构设计规范BS EN 1994-1-1、GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》和T/CECS 663—2020《钢管混凝土加劲混合结构技术规程》的组合柱承载力计算公式中增加内钢板承载力项,得到内钢板中空方形CFST叠合构件的轴压承载力计算式。结果表明：轴压荷载作用下,内钢板中空方形CFST叠合柱钢管外混凝土、内钢板、钢管、纵筋以及核心混凝土能协同工作;内钢板强度与壁厚对构件承载力、延性和刚度影响均较小;截面尺寸和混凝土强度对构件承载力贡献最大,但构件延性随着混凝土强度的增大而降低。在T/CECS 663—2020和ANSI/AISC 360-16的组合柱承载力计算公式中增加内钢板贡献项计算得到的承载力值与试验和有限元结果最为接近。     

内置型钢钢管混凝土轴压构件设计方法研究及 可靠度分析

为使内置型钢钢管混凝土构件在实际工程应用中有矩可循、有法可依,采用ABAQUS有限元软件建立了内置型钢钢管混凝土构件轴压模型,通过与已有试验结果对比验证了数值模拟的可靠性。基于内置型钢钢管混凝土力学性能及工作机理,分析了混凝土强度、钢管强度、内置型钢强度、钢管含钢率以及内置型钢含钢率等参数对构件承载力的影响; 以提出的计算方法为基础,分析了不同荷载效应比ψ对该类构件可靠度的影响。考虑实际工程参数,分别提出了内置型钢钢管混凝土轴压短柱强度承载力计算公式与内置型钢钢管混凝土长柱的稳定承载力计算公式,建议了内置型钢钢管混凝土轴压构件的设计方法。以稳定系数φ为参数,提出了内置型钢钢管混凝土轴压构件极限承载力与稳定承载力的统一计算方法。研究结果表明:基于提出的计算方法得到的内置型钢钢管混凝土轴压构件承载力可靠度指标基本符合统一标准规范要求。     

局部荷载作用下方钢管混凝土的性能试验

对局部荷载作用下薄壁方钢管混凝土进行试验研究,荷载通过钢支座(BM)施加。共有20个试件,包括12个钢管混凝土(CFST)试件、4个空心截面(HSS)试件和4个普通混凝土(PC)试件。在试验中考虑的参数包括:1)BM的类型,实心和空心;2)BM与受压构件的宽度比,0.36~0.73;3)受压构件的钢管壁厚,2.6mm和3.7mm;4)BM与受压构件之间的角度,45°和90°。结果表明,局部荷载作用下方形钢管混凝土依然具有较高的承载能力和较好的抗变形能力,并且CFST构件的性能比HSS和PC构件之和更好。使用CIDECT设计准则以及冯和杨提出的简化设计方法,计算局部荷载作用下方钢管混凝土的承载力,并与试验结果进行比较。     

基于ANSYS分析CFST拱肋极限承载状态的计算模型对比研究

结合已有的CFST(concrete-filled steel tuber)本构模型,基于ANSYS分析,对已做试验的两个CFST(单圆管)单肋拱空间极限承载力进行了双重非线性有限元分析探讨。对比研究了六种建模方法下模型拱的极限承载状态,较好地得出了模型拱的极限承载力和极限承载位移。评价了各种建模方法的适应性,提出了ANSYS分析下精确模拟CFST拱极限承载力的基本原理、基本方法和建模方法选取的建议。计算结果与试验结果符合较好,验证了计算模型的合理性。研究成果可供计算CFST拱时参考。     

基于平均温度计算实心和空心钢管混凝土柱抗火性能的标准方法

给出计算不同截面轴心受压实心和空心钢管混凝土(CFST)柱抗火性能的新方法,包括圆形和多边形截面。新方法的特点是,基于柱截面的平均温度进行抗火性计算。研究火灾下CFST柱的承载力时,选取室温下CFST柱的承载力作为对照。对与钢材和混凝土平均温度相关的等效强度和等效弹性模量进行了研究,并给出计算的标准方法。将CFST抗火性计算分为以下两个步骤:1)基于平均温度计算高温下钢材和混凝土的等效强度和弹性模量;2)将高温下材料等效强度和弹性模量代入室温公式进行抗火性计算。基于标准方法、欧洲规范EC4和作者的前期工作给出计算CFST柱抗火性的两组公式。将建议公式计算结果与一些圆形或方形截面实心和空心CFST柱的试验结果进行对比,验证了建议公式的有效性。     

轴向压缩下圆形和多边形钢管混凝土柱的统一公式

目前,不同截面钢管混凝土(CFST)柱的轴向承载力采用不同的公式计算。研究人员和设计师试图在柱的设计中找到一个适用于不同截面(包括实心、空心、圆形和多边形截面)的统一公式,这一直是他们面临的一个挑战,事实上也是十分重要的问题。为满足现代的设计要求,结构在材料的使用、结构构件的拓扑学方面不断优化,上述问题应运而生。作者之前研究了圆形空心和实心CFST柱轴向承载力的统一公式,该文将其拓展到正多边形截面空心和实心CFST柱,将圆形截面作为多边形边数为1的特殊情况。最后,给出用于计算圆形或多边形截面实心和空心钢管混凝土柱轴向承载力的统一公式。此外,对空心圆形和方形钢管混凝土柱进行了试验。这些试验结果对有限的公开发表的文献进行了补充,也验证了该分析公式。     

圆钢管混凝土结构非线性有限元分析

基于合理的钢管混凝土拉、压材料数值本构模型,采用U.L.列式单元增量平衡方程,引入分层梁单元材料非线性分析理论,通过调整截面形心应变和曲率,使梁端内外力平衡,完善了分层单元法,编制了相应的非线性有限元程序,并对已有钢管混凝土结构面内受力,如钢管混凝土偏压柱、不等端弯矩钢管混凝土偏压柱、钢管混凝土压弯构件和钢管混凝土模型拱肋等试验资料进行双重非线性有限元分析。结果表明:几组钢管混凝土模型拱和钢管混凝土压弯构件的荷载-变形曲线和极限承载力与试验结果最接近,验证了本文方法与程序的可靠性,通过与其他学者计算结果相比,表明本文方法具有较高的计算精度。     

钢管混凝土构件不同缺陷率注浆补强前后承载能力试验研究

为了研究注浆补强对存在缺陷的钢管混凝土构件轴压承载性能的影响,进行了无缺陷、有缺陷未补强、有缺陷补强三种工况的钢管混凝土构件轴压试验,得到了不同缺陷类型和补强前后钢管混凝土构件承载力随轴向变形的变化曲线。研究结果表明:缺陷对钢管混凝土构件的承载性能影响较大,缺陷率越大,钢管混凝土构件的承载力越低,缺陷率相同时,边缘缺陷钢管混凝土构件的承载力损失大于中心缺陷钢管混凝土构件的;采取注浆补强措施后,钢管混凝土构件的承载力可得到恢复,但相对于无缺陷构件,缺陷补强钢管混凝土构件的承载力仍存在不同程度的降低。在试验结果的基础上,提出了缺陷(未补强及补强)钢管混凝土构件的轴压承载力计算式,其计算结果与实测值吻合良好。     

方钢管混凝土轴压短构件局压承载力试验研究

局部承压是工程结构中一种常见的受力情况 ,为了深入认识方钢管混凝土构件在局部压力作用下的性能 ,进行了 2 8个方钢管混凝土轴压短构件局压承载力的试验研究 ,同时还进行了素混凝土局压和钢管混凝土承载力的对比试验 ,以及测量粘结强度的推出试验 ,基于对试验结果的分析 ,考察各主要因素的影响规律 ,并初步建议了方钢管混凝土局压承载力的计算方法。     

T形方钢管混凝土组合异形柱偏压承载力研究

通过理论计算和有限元模拟对T形方钢管混凝土组合异形柱的偏心受压承载力计算方法进行研究。设计9根不同长细比偏心力作用的T形组合柱,借鉴《矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159：2004）》压弯构件的计算方法,对设计构件进行理论计算,并应用ANSYS有限元软件对设计构件进行偏压承载力计算。分析结果表明：T形组合柱在偏心受压破坏时,为整体弯曲破坏;理论计算与有限元分析计算结果吻合较好;验证了采用理论计算方法计算方钢管混凝土组合异形柱偏压承载力的可行性。     

钢管混凝土圆拱的面内承载力分析

迄今为止,全世界已有400多座钢管混凝土拱桥。然而,有关钢管混凝土拱面内承载力的设计规范仍没有。目前,钢管混凝土拱的设计广泛采用钢筋混凝土及预应力混凝土拱的面内承载力设计方法。这样钢管混凝土拱可认为受轴压或偏压作用,相当于钢管混凝土柱。将钢管混凝土柱的经典屈曲荷载作为钢管混凝土拱的参考弹性屈曲荷载。然而,在横向荷载作用下,钢管混凝土拱的面内弹性屈曲性能与轴压下的钢管混凝土柱完全不同,尤其是对于薄壁钢管混凝土拱。另外,与轴压或偏压下钢管混凝土柱不同,钢管混凝土拱在屈曲之前就发生非线性弯曲和横向变形,这严重影响钢管混凝土拱的承载力。因此,钢管混凝土面内承载力的设计方法是否正确值得商榷。提出与现有钢结构设计规范基本一致的钢管混凝土圆拱承载力设计方法,并同时考虑了几何非线性和材料非线性的影响。提出均匀轴压下钢管混凝土拱的面内承载力设计方程,及弯矩和轴压共同作用下钢管混凝土拱面内承载力验算的下限设计方程。     

《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ 13-51-2003)设计方法及可靠度分析

简要介绍了福建省工程建设地方标准《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ 13-51-2003)中钢管混凝土构件承载力计算公式,并将该规程的计算结果与收集到的试验结果进行了比较,结果表明,计算结果和试验结果总体吻合较好。基于《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2001),应用结构可靠度分析的一次二阶矩法,对福建省工程建设地方标准中有关圆钢管混凝土和方、矩形钢管混凝土轴压、纯弯及压弯构件的承载力设计公式进行了可靠度分析,分析结果表明,规程中设计公式基本满足统一标准对塑性材料可靠度指标的要求。     

实、空心钢管混凝土抗扭承载力统一计算方法

目前关于钢管混凝土抗扭承载力的计算方法已有一些,但大多是针对实心钢管混凝土。通过建立钢管混凝土构件在纯扭作用下的有限元模型,并对钢管混凝土的受扭性能进行数值参数分析,着重探讨空心率对钢管混凝土横截面受力分布和承载力的影响,基于极限平衡方法推导钢管混凝土在纯扭下的承载力计算式,最终给出实心和空心完全统一的抗扭承载力计算式,并收集相关试验数据对得到的计算式进行试验验证,通过试验对比,说明计算式的有效性,同时计算式物理意义明确,形式完全统一,较好地反映了实心和空心钢管混凝土构件工作性能的连续性。     

内置工字钢的钢管混凝土柱有限元模拟研究

为研究内置工字钢对钢管混凝土结构的加固作用,文中通过ABAQUS软件对钢管混凝土结构内部增设工字钢加固进行有限元模拟,研究工字钢对整体构件力学性能的提升;对构件组成部分进行应力分析,根据应力分布结果,提出相关建议;针对工字钢参数进行了分析,研究了不同的参数对轴压性能的影响,为此类构件试验和工程应用提供参考。     

长期荷载对方钢管混凝土轴心受压柱承载力的影响研究

以方钢管混凝土柱为研究对象,从钢材及混凝土两种材料单轴受压的应力-应变关系出发,将方钢管混凝土柱截面中钢管部分与混凝土部分的内力叠加,推导了考虑长期荷载作用影响的方钢管混凝土轴心受压柱在加载过程中的荷载-应变关系的函数表达式,取函数最大值为相应参数下构件的抗压承载力值。用该计算方法计算已有文献中试验构件的承载力值,计算结果与试验结果吻合较好。结合钢管局部屈曲、截面配筋率、钢材强度及混凝土徐变量等因素,分析了长期荷载作用对构件承载力的影响,结果表明:长期荷载对方钢管混凝土柱承载力影响程度较小。     

钢管混凝土(CFST)结构构件的发展和应用

钢管混凝土(CFST)结构拥有很多优点,并广泛应用于土木工程结构中。对迄今为止的钢管混凝土结构家族的发展进行综述,并得出关于钢管混凝土部件的研究框架。总结并讨论近年来尤其在国内关于钢管混凝土结构构件的研究进展。对各国目前的设计方法进行简要分析,并对国内一些应用钢管混凝土构件的工程实例进行了介绍。最后,对钢管混凝土构件的性能进行总结。     

钢管初应力对内配型钢的圆钢管混凝土柱受压性能影响

为研究钢管初应力对内配型钢钢管混凝土构件后期受力性能的影响,共设计了12根内配型钢圆钢管混凝土柱进行受压性能试验研究,试验主要参数为初应力系数和荷载偏心率。通过试验研究了内配型钢圆钢管混凝土柱的变形过程、破坏形态及不同参数对构件荷载-变形曲线和受力性能的影响。试验结果表明：初应力系数及荷载偏心率对内配型钢圆钢管混凝土柱最终的破坏形态影响较小,但不同长细比的构件破坏过程有所差异;初应力系数的变化对轴压短柱承载力影响较小,但对偏压柱受力性能有一定影响,随着初应力系数的增大其承载力下降;试验参数范围内,偏心率对柱承载力的影响明显大于初应力系数的影响。基于试验结果对有限元模型的可靠性进行验证,在模型验证基础上,分析钢管初应力对钢管与混凝土之间的相互作用和各部件承载力分配的影响,并进一步分析不同参数（如长细比、偏心率、型钢截面尺寸等）对柱承载力影响系数的影响。结果表明,钢管初应力系数、偏心率和长细比对柱承载力影响系数影响显著,基于此提出考虑钢管初应力时内配型钢钢管混凝土柱受压承载力计算方法,其计算结果与试验和数值结果吻合较好。     

高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究

 为明确高应力软岩巷道支护失效机制并验证新型支护形式的有效性,以赵楼煤矿千米深井为工程背景,在围岩变形破坏及支护失效规律现场探测、监测分析基础上,采用数值计算方法,通过对FLAC3D中BEAM单元的修正处理实现了拱架支护体系的精细化模拟,讨论了支护强度等级(拱架形式)、地应力等级、围岩强度等级三个因素对巷道围岩变形量、塑性区范围、支护构件受力状态等的影响规律。在此基础上分析了高应力软岩巷道支护失效机制。对于高应力软岩巷道来说,锚网喷支护具有明显的局限性;具有一定刚度和强度的拱架是一种行之有效的围岩控制途径,是必要的。采用方形钢管约束混凝土拱架支护体系进行现场试验,新型高强拱架支护方式使得巷道围岩稳定性得到有效控制。