圆钢管混凝土拱架套管节点承载特性研究

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钢管混凝土组合结构因为具有刚度大、抗震性能好、施工方便等优点而普遍应用于大跨度、高空间结构中,尤其是在软岩巷道支护中更是解决了锚网喷、U型钢支架等传统支护形式所带来的安全经济问题,大大促进了我国煤炭开采行业的发展,推动了我国国民经济的发展进度。近年来,随着圆钢管混凝土拱架应用的增多,其承载机制和失效机理越来越受到人们的关注,而相关方面的研究却不多,尤其是对拱架的薄弱部位-套管节点的研究更是匮乏,因此进行圆钢管混凝土拱架套管节点压弯性能试验研究具有非常重要的现实意义。本文对10根圆钢管混凝土拱架套管节点及常规构件进行了压弯试验,加载过程采用先力控制后位移控制。通过桥式位移计和电阻应变片分别得到试件各主要截面的荷载位移曲线和荷载应变曲线,分析可知,套管对试件的作用主要发生在弹塑性阶段,且荷载偏心率越大套管作用越明显。通过比较各截面荷载-应变曲线揭示了试件的压弯失效机理,通过数值计算得到试件的正截面承载力Nu-Mu曲线,由Nu-Mu曲线可知套管节点比常规构件承载力明显降低。在室内试验的基础上改变混凝土的强度等级和套管参数(套管长度、壁厚及间隙),利用有限元软件ABAQUS对常规构件及套管节点进行了压弯数值模拟,分别研究有无套管及套管参数对圆钢管混凝土拱架承载力的影响规律。模拟过程中采用实体建模,钢管和混凝土均选用C3D8R单元,钢管和混凝土之间忽略相对滑移,采用Tie约束,钢管和套管之间采用面面接触(Surface-to-Surface contact),这样更能逼近工程实际中拱架的受力特征。与室内试验进行对比,两者的试验现象和荷载-位移曲线基本吻合,验证了数值模拟的正确性,结合室内试验得到各试件正截面承载力Nu-Mu曲线,利用Origin软件分别拟合得到常规构件和套管节点的压弯极限承载力计算公式。最后分别讨论了混凝土强度、套管长度、壁厚及间隙等因素对拱架截面压弯承载力的影响规律,为工程实际中圆钢管混凝土拱架的设计提供一定的参考依据。
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