隧道钢管混凝土支护构件承载力对比研究

钢管混凝土拱架支护作为地下工程的高强支护形式,具有广阔的应用前景。故应明确钢管混凝土支护构件与传统支护构件承载机制及承载力大小进行工程类比设计,但目前少有针对该领域的研究。为对比钢管混凝土(CFST)与工字钢构件承载力,基于钢管约束效应,建立了钢管混凝土构件简化计算模型,推导了构件承载力计算公式;进行了CFST构件、工字钢构件轴压室内试验和数值试验,深入分析了不同构件变形过程及破坏形态,基于构件承载力,验证了上述计算方法的合理性。在超大断面隧道开展了CFST拱架现场应用试验,提出了CFST构件在地下工程中应用的类比设计方法,研究结果可为相关工程设计提供理论依据。     

软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护的复合拱理论及应用研究

初期支护以锚杆、喷层、钢筋网与钢拱架联合支护的方式在软弱围岩和不良地质的隧道建设中已经得到广泛运用,但目前对于这种联合支护的力学承载机制缺乏深入研究,特别是对于联合支护的承载能力及与围岩相互作用没有量化的解析式。根据围岩与支护相互作用特点,运用组合拱理论,针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点,建立由以系统锚杆为支护外拱和喷层与钢架的支护内层拱所共同构成的复合拱的力学模型;根据隧道围岩的弹塑性理论、衬砌的支护结构理论以及全长锚杆的锚固界面层模型,推求联合支护结构的承载力与围岩变形的相关解析式;并结合云南省麻昭高速公路打堡寨2#隧道,利用现场监测位移求解了内、外层拱各自承载能力,经由计算结果表明,以钢架和喷层组成的内层支护拱在软弱破碎围岩中起主要承载作用。     

引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究

 为研究复合支护中钢拱架变形特性和力学机制,优化支护参数,保证引水洞室的稳定性,在对支护结构进行力学分析的基础上,采用数值计算方法对山西引水工程中施工支洞进行了仿真模拟。基于复合支护力学作用机制的研究,分析钢拱架在初期支护中的应力及变形特性,并结合工程实例研究复合支护中钢拱架、钢筋网以及喷层所分担的围岩压力比例。数值计算表明：与普通的喷锚支护相比,有钢拱架的复合支护体系能够对围岩变形提供直接支护力,使围岩初期变形和塑性区范围大大减小,有利于围岩承载拱的形成并发挥其自身承载能力,同时其他各支护材料的变形和应力也有较大程度的降低,是洞室破碎围岩支护的有效手段之一。研究成果为山西省中部引黄工程引水洞支护设计提供了理论依据,对同类工程也具有借鉴和指导意义。     

隧道装配式空间网架螺栓端板节点力学特性及施工技术体系研究

为解决复杂城市环境下浅埋大断面隧道施工进度慢、机械化程度低、安全风险高等难题,借鉴“及时支护,强支护”的控制理念,设计出一种高强度、大刚度的装配式空间网架支护结构。为明确该结构作为隧道初期支护的变形特性和力学机制,优化构造参数,该文综合考虑主肢钢管直径和壁厚参数变化的影响,开展空间网架螺栓端板节点构件的抗弯承载性能研究,就变形破坏形态、极限承载力、弯曲挠度及应力应变演化规律进行了深入分析。研究结果表明：在整个荷载-挠度历程曲线中,空间网架结构经历了弹性增长阶段、塑性发展阶段和最终破坏阶段;增加钢管直径和壁厚,均能不同程度上提高结构的极限承载力和抗弯刚度,改善构件的应力应变状态,其中钢管壁厚对新型支护结构的力学性能影响更为显著;现场试验表明空间网架整体受力呈现“上大下小”“不均匀对称”的特点,拱肩及拱顶部位应力普遍较大,拱腰部位次之,下台阶拱脚最小;拱架安装机械化显著提升了立拱效率,提高了机械化作业水平,保障了施工安全。研究成果不仅丰富了地下结构支护形式,还为该结构在相关工程中的结构设计、参数优化及推广应用提供借鉴。     

引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究

为研究复合支护中钢拱架变形特性和力学机制,优化支护参数,保证引水洞室的稳定性,在对支护结构进行力学分析的基础上,采用数值计算方法对山西引水工程中施工支洞进行了仿真模拟。基于复合支护力学作用机制的研究,分析钢拱架在初期支护中的应力及变形特性,并结合工程实例研究复合支护中钢拱架、钢筋网以及喷层所分担的围岩压力比例。数值计算表明:与普通的喷锚支护相比,有钢拱架的复合支护体系能够对围岩变形提供直接支护力,使围岩初期变形和塑性区范围大大减小,有利于围岩承载拱的形成并发挥其自身承载能力,同时其他各支护材料的变形和应力也有较大程度的降低,是洞室破碎围岩支护的有效手段之一。研究成果为山西省中部引黄工程引水洞支护设计提供了理论依据,对同类工程也具有借鉴和指导意义。     

膨胀性黄土隧道钢拱架–格栅联合支护力学特性研究

为了研究膨胀性黄土隧道围岩与支护结构作用机制,解决膨胀力作用下的隧道支护难题,利用弹性薄壳理论建立了联合支护的力学分析模型,引入等效截面法和膨胀力参数得到了改进的围岩–支护特征曲线。基于上述模型和方法,对该黄土隧道初期支护的力学特性进行分析,提出适用于膨胀性黄土隧道的"格栅拱架+钢拱架+喷射混凝土"联合支护方式。结果表明:所建立的模型和方法对膨胀围岩条件下初期支护的力学特性分析具有较好的适用性,从理论角度解释该隧道原始初期支护发生破坏的原因;与"钢拱架+喷射混凝土"和"格栅+喷射混凝土"支护方式相比,提出的联合支护方式在膨胀性黄土隧道中更具优势,充分发挥了不同材料的承载特性,保证了隧道的稳定性。     

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。     

桁式钢管混凝土拱桥面内极限承载受力研究

以4管桁式钢管混凝土拱桥为实例,采用弹塑性大变形计算理论,对拱桥面内极限承载受力全过程进行研究。对拱肋失稳形态和拱肋竖向位移、轴力、弯矩的发展等方面作了比较。最后对钢管混凝土拱桥设计规范(修订稿)中的简化计算方法进行了讨论。     

钢管混凝土拱桥肋拱面内极限承载力全过程计算机模拟

采用钢管混凝土统一理论和多线性随动强化模型 ,并引入等效紧箍力 ,研究钢管混凝土肋拱面内极限承载力 ,给出了模拟钢管混凝土肋拱面内受力全过程的物理模型、力学模型、数学模型。通过模拟全过程的位移变化和极限承载力 ,对各个阶段的定性和定量分析 ,并与两个模型试验的比较 ,说明了该模型的适用性和正确性 ,模拟结果表明与试验结果吻合良好 ,并探讨了弹性极限值、屈服极限与极限承载力的比例关系。     

钢管混凝土拱桥计算理论分析

钢管混凝土拱桥稳定问题突出,稳定性、极限承载力研究还不完善。文章以灾后复建工程羊毛坪大桥为依托,研究钢管混凝土拱桥计算理论,确定合理的计算方法,利用专业有限元软件对依托工程进行承载能力及主拱稳定性分析,为钢管混凝土拱桥计算理论的进一步发展提供参考。     

钢管混凝土支架构件工作性能的模型试验研究

为了解钢管混凝土支架构件的工作性能,进行了室内模型试验研究。结果表明,钢管混凝土支架具有较好的弹塑性性能和较高的承载能力。通过介绍试验情况,分析了模型支架构件受力全过程的性能。试验结果对钢管混凝土支架的设计与工程实践具有一定的指导意义和参考价值。     

初应力对哑铃型钢管混凝土拱承载力的影响

根据钢管混凝土拱桥特点,采用包含初应力的实体—空间梁单元法来计算哑铃型钢管混凝土拱桥承载力的方法,计算3种哑铃型拱肋,分析了不同初应力系数、不同含钢率和不同跨径的因素对哑铃型钢管混凝土拱桥承载力影响规律,结果表明,初应力导致拱肋的极限承载力下降。     

带L形横撑的大跨CFST桁式拱桥稳定性分析

为研究新型L形横撑在大跨度钢管混凝土(CFST)桁式拱桥稳定中的有效性,以合江三桥为工程背景,采用数值计算和理论分析相结合的方式对其受力性能和稳定性进行比较分析,并利用正交试验和方差分析方法对L形横撑在大跨度CFST桁式拱桥稳定中的显著性进行了检验。结果表明：①对于L形拓扑横撑类型,当K形斜撑设置在主拱肋上弦且靠近拱脚一侧时,主拱的稳定性最好;②与常用的K形、X形和米字形横撑相比,L形横撑对主拱最大轴力、最大面内弯矩、最大面外弯矩、最大应力和竖向变形的影响均较小,仅对主拱水平变形有一定影响;③当各参数在合理的取值范围内时,使用L形横撑代替常用的K形、X形或米字形横撑,不会显著降低大跨度CFST桁式拱桥的分支点和极值点稳定性,工程师在该类拱桥的稳定设计中可以放心选用。     

圆钢管赤泥混凝土抗压刚度分析

通过经典弹性力学的理论,运用能量法和最小势能原理对钢管赤泥混凝土进行理论分析,首先推导出小变形条件下的钢管混凝土轴压刚度的理论计算式,在此基础上,利用轴压刚度试验值与理论值的比值与赤泥替代率进行拟合研究,得出钢管赤泥混凝土轴压刚度折减系数,建立钢管赤泥混凝土轴压刚度理论计算公式,并与试验结果进行比较。结果表明:理论计算式的计算值与试验值吻合较好,可较准确的描述钢管赤泥混凝土轴压短柱的抗压刚度,用于指导工程实践。     

钢管混凝土拱桥的动力稳定极限承载力研究

从结构极限承载力的角度研究钢管混凝土拱桥在地震作用下的动力稳定性能。基于大型通用有限元程序ANSYS的应用平台,使用其APDL语言,采用B-R运动准则结合动态增量法(IDA)提出用特征响应寻求钢管混凝土拱桥动力稳定极限承载力的研究方法,分析地震动输入方向、结构几何非线性、材料非线性及其结构初始缺陷模式和大小对动力稳定极限承载力的影响,结果表明横向输入对拱桥稳定最为不利,材料非线性的影响比几何非线性影响大,几何初始缺陷会降低拱桥的动力稳定极限承载力,其中以反对称最为不利。最后,通过对一钢管混凝土模型拱桥的振动台试验的分析比较,表明该方法的正确性和工程适用性,可为系统研究钢管混凝土拱桥的动力稳定性能提供理论分析基础。     

青岛北站拱脚支座节点的有限元分析

作为结构的重要传力构件,选择安全、实用的支座节点是结构设计的关键,为此对青岛北站的拱脚支座节点进行有限元分析。由于该节点复杂,目前对这种复杂的异形截面钢柱脚的承载力还未有明确的计算依据,因此采用ABAQUS对该柱脚受力性能进行分析。分析结果表明:青岛北站的拱脚支座节点的设计安全可靠,在各种荷载工况下可以安全有效地发挥作用,为同类大跨空间结构的支座节点设计提供了参考。     

异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算方法研究

异形截面多腔钢管混凝土柱截面形状不规则,受力复杂,其承载力不能按常规钢管混凝土柱计算方法计算。基于已有的6个两类截面的异形截面多腔钢管混凝土巨型柱轴压承载力试验结果,在分析评价国内外规范或规程承载力计算方法基础上,对异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算方法进行研究。结果表明：相关规范或规程中按非圆形截面钢管混凝土柱计算公式所得轴压承载力大多低于试验值,偏于安全;基于Mander约束混凝土模型,将混凝土划分为有效和非有效约束区,提出了考虑折减约束效应的承载力计算式,计算所得承载力值略高于实测值,但相对差值在5%以内。     

钢管混凝土偏压柱设置体内反向偏心预应力钢筋的计算方法研究

偏心率对柱的承载力有重要的影响,偏心率越小,构件的承载力越高。配置体内反向偏心预应力高强钢筋可使钢管混凝土柱承受外荷载时的偏心率减小,即在钢管混凝土构件中施加反向偏心预应力,提高柱的承载力。应用预应力理论对该问题进行了分析研究和公式推导,提出了此类设计的计算方法。