径向均布荷载下钢管混凝土圆弧拱受力状态特征分析

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深部软岩巷道中,钢管混凝土支架常作为支护结构被采用。钢管混凝土支架通常由多段钢管混凝土圆弧拱制成,而该类钢管混凝土圆弧拱的研究明显滞后于其应用,其中圆弧拱的承载能力一直不能精确计算,也不能揭示一般的工作规律,更不清楚其应用的保守程度。针对这一问题,本文基于结构受力状态理论,通过对应变数据建模,分析了钢管混凝土圆弧拱的受力状态特征,揭示钢管混凝土圆弧拱的一般工作规律,为精确预测拱承载力提供依据:(1)首先,将应变数据转化为广义应变能密度(GSED)值,建立钢管混凝土圆弧拱和其子部分的受力状态模式及其特征参数。然后,利用Mann-Kendall准则检测特征参数随荷载增加的演变曲线中的突变点(特征荷载),通过结构受力状态模式中相应的演变和突变特征验证了这些特征荷载的合理性,即揭示钢管混凝土圆弧拱及其子部分中的一般工作规律。(2)根据所揭示的受力状态特征点,界定了钢管混凝土圆弧拱破坏过程的起始点,并以该点来重新定义圆弧拱失效荷载;同时,界定了圆弧拱受力状态的线弹性分支点、弹塑性分支点以及连续失效点,并分析了圆弧拱在特征荷载点附近表现的受力状态量变或质变特征。(3)对不同参数下(钢管的壁厚、管径、圆弧拱的矢跨比、混凝土强度等级、混凝土中钢纤维含量和强化圆钢的直径)圆弧拱的受力状态进行了分析。对比了单一参数改变下圆弧拱的受力状态特征参数、特征荷载、以及圆弧拱子部分(钢管和约束混凝土)结构响应数据构造的受力状态模式等。分析和对比结果表明,这些参数对圆弧拱的影响主要体现在承载能力和破坏过程两方面。(4)利用状态构型插值法计算了不同圆弧拱跨中组合截面、钢管截面和约束混凝土截面的轴力,通过对轴力的分析发现,从圆弧拱的弹塑性分支荷载附近开始,约束混凝土承担的轴力开始其控制作用。基于受力状态分析结果,提出以弹塑性分支荷载直接作为圆弧拱的设计荷载,并与相关设计规范的设计值进行了对比。对比结果表明,按弹塑性分支荷载进行设计可以更大程度地利用构件的承载力,这一结果可以为该类构件的工程实践提供参考。
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