[发明专利]一种钢管混凝土拱架承载力确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿山巷道、隧道、水电硐室、地铁等工程支护结构的承载能力的计算方法，尤其涉及一种钢管混凝土拱架承载力确定方法。

背景技术

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硐室、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。以煤矿巷道工程为例，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，煤矿开采进入深部以后，支护问题凸显，现有的锚网喷支护及常用高强U型钢支护难以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，和围岩一般是以点、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。

近年来，钢管混凝土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土支架，是将直的空钢管根据巷道支护需要，热煨加工成需要的形状，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土输送泵将混凝土材料灌注到钢管中。混凝土经过养护凝固后受到钢管的约束作用，处于三向受压状态的混凝土在承受外界作用力时，可以大大改善钢管内混凝土的塑性破坏程度，同时延缓局部钢管的内凹失稳。

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土支架在南岭隧道不良地质段支护中使用，钢管混凝土支撑较其他型钢支撑可少用钢材38％-54％；2008年，谷拴成将钢管混凝土拱架应用在地铁隧道中，钢管混凝土拱架的支护成本仅为格栅拱架的61％，说明钢管混凝土拱架具有良好的经济效益。

1995年，臧德胜在平顶山矿务局进行了钢管混凝土工业性试验，在同等承载力条件下，钢管混凝土支架比U型钢支架要节约钢材30％左右，至少降低造价20％以上。同期，臧德胜等进行了钢管混凝土支架的室内模拟试验和数值试验，发现钢管混凝土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锚喷中钢管混凝土与钢拱圈等效性的研究，表明钢管混凝土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，陆续在开滦钱家营矿、鹤岗南山矿、杨庄煤矿、赵楼煤矿等进行了钢管混凝土(约束混凝土)拱架的现场推广使用，取得了较好的效果。

总体上来讲，钢管混凝土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、硐室支护工程。

目前钢管混凝土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，制约了钢管混凝土拱架的进一步发展和推广应用。

发明内容

本发明针对的问题是目前钢管混凝土拱架支护技术中的核心构件—钢管混凝土拱架的承载力无法有效确定的问题，提供了一种钢管混凝土拱架承载力确定方法。

本发明具体采用以下技术方案实现的：

一种钢管混凝土拱架承载力确定方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立钢管混凝土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；

步骤(2)：计算第i个控制截面S_i的内力，其中1≤i≤t；

步骤(3)：根据正偏心判据和负偏心判据来判断拱架的控制截面S_i是否达到极限承载力；

步骤(4)：求解钢管混凝土拱架的承载力，所述钢管混凝土拱架的承载力为在拱架上首次出现的控制截面S_i所达到的极限承载力；若控制截面S_i达到极限承载力，则钢管混凝土拱架的承载力Q_y为：

Q_y＝∫q_yds

其中，q_y为控制截面S_i上的载荷。

所述正偏心判据的判断过程为：