非均布荷载下抗弯强化钢管混凝土支架弯曲破坏机理研究

In the support of soft rock roadway support in deep mines, if the equal strength supports are loaded by non-uniform deformation load, the support will break by bending in local area of the support, then the whole support will break. So this project proposes a partial flexure-strengthening way to strengthen the weaker part of the Concrete-filled Steel Tubular Support (CFSTS), then studies the bending failure mechanism of CFSTS support applied non-uniform deformation load. Through large-size laboratory test, stress state of steel tube/concrete, crack development of concrete, the deviation law of neutral layer in the cross section, failure mode and the bending failure mechanism of CFSTS support are analyzed under the non-uniform deformation load. In combination with the test results, this project builds reasonable numerical model to analyze the process of the neutral layer deviation and bending deflection of CFST supports with different factors, such as reinforcement steel bar, non-uniform bending load, the parameters of steel/concrete, radius of CFST arch part, determines the quantitative relationship between the different factors and the neutral layer deviation, builds the calculation of bending capacity and bending rigidity of CFST support in the way of the amount of neutral layer deviation. This research supplements the calculation theory of underground CFST supports, is helpful to develop soft rock roadway supporting in deep mines based on CFST supports, and provides a new way to support non-uniform deformation failure of deep roadway. The research results has an important theory and application value.

深井软岩巷道支护中，等强度支架受到巷道非对称性变形作用时，支架易产生局部弯曲破坏进而造成支架整体破坏。针对深井软岩巷道非对称变形破坏问题，本课题提出局部抗弯强化的不等强度钢管混凝土支架，开展研究非均布荷载作用下抗弯强化支架弯曲破坏机理。采用大型室内实验研究支架的钢管/混凝土应力分布、混凝土裂纹演化过程、中性层偏移规律、破坏形式和弯曲破坏物理力学机理。结合实验测试结果，建立数值分析力学模型，分析不同影响因素下（圆钢尺寸、非均布荷载形式、钢管/混凝土参数等）支架横截面中性层偏移过程和弯曲变形，确定各个影响因素与中性层偏移量之间的定量关系，并建立基于中性层偏移量的支架抗弯承载力和抗弯刚度理论计算公式。该项目研究将大大补充深井软岩巷道钢管混凝土支架计算理论，促进基于抗弯强化钢管混凝土支架的深井软岩巷道支护技术的发展，为我国深部资源安全开采和煤炭资源可持续发展提供必要的理论和技术支持。

随着煤矿开采深度增加，深井软岩巷道支护技术已成为采矿行业共同的理论与技术难题。深井软岩巷道具有围岩荷载大、围岩收敛变形速度快且非对称性变形等特点，因此，深井软岩巷道需要高强度的非对称耦合支护结构。基于此，本项目提出了抗弯强化钢管混凝土支架。本项目以抗弯强化钢管混凝土构件作为主要研究对象，主要采用室内实验与数值仿真方法，研究在非均布荷载作用下试件横截面中性层偏移规律、抗弯承载力、理论计算和弯曲变形破坏模式等关键问题。（1）开展抗弯强化钢管混凝土直梁试件试验，研究了不同抗弯强度的钢管混凝土直梁截面的轴向应变分布、混凝土拉/压区内裂纹开裂发展情况、试件的抗弯承载力、中性层的位置和变化过程、试件截面弯矩-中性层曲线关系和弯矩-应变曲线关系等，在此基础上理论推导试件截面中性层偏移量计算公式及试件抗弯承载力计算公式。（2）开展抗弯强化钢管混凝土支架试件试验和数值模拟分析，研究抗弯强化钢管混凝土支架截面的轴向应变分布、混凝土裂纹发育情况和抗弯承载力等。在此基础上，研究分析了抗弯强化钢管混凝土支架的破坏模式，以及抗弯圆钢在抗弯强化支架中的作用。在集中荷载作用下，支架顶部截面弯矩超过极限，支架破坏为抗弯强度控制的弯曲破坏。在较均匀的分布荷载作用下，支架以承受截面轴力为主，产生轴压破坏现象。抗弯圆钢的存在承担了支架截面的一部分轴力和弯矩，从而大大提高支架的承载力。（3）基于抗弯强化钢管混凝土构件的抗弯承载力和弯曲破坏模式等研究成果，针对软岩巷道的特点，本项目提出基于早强-抗弯强化型钢管混凝土支架的支护技术。本课题研究成果有助于建立基于抗弯强化钢管混凝土支架的深井软岩巷道非对称耦合支护技术，该技术能够实现支护结构强度与深井软岩巷道围岩变形的耦合，降低巷道围岩的非对称性变形，从而实现对深井软岩巷道非对称性变形破坏的有效控制，为煤矿安全高效生产、巷道掘进效率和经济效益提供非常有利的理论和技术保障。