钢管混凝土支架注浆孔补强技术数值模拟分析_高延法

（ 1 ． China University of Mining ＆ Technology，Beijing 100083 ，China； 2 ． State Key Laboratory for Geomechnics and Deep underground Engineering，Beijing 100083 ，China） Abstract： Grouting holes need to be reserved when grouting in the well in the conturction of concretfilled steel tube supports（ CFSTS） ． Reinforcement plate，short grouting tube and sealing plug are needed so as to ensure the rigidity of the steel tube around the grouting hole of CFSTS． The characteristics of the distribution of stresses on the steel tube under elastic loading conditions are analyzed by means of ABAQUS． The compressive stress concentration coefficient on both sides of the grouting hole is the largest，reaching 8． 45． The compressive stress concentration degree around the grouting hole decreases dramatically when reinforcement measures are taken． Different reinforcement measures are simulated and the following optimized reinforcement measures are proposed： the dimension of the reinforcement plate should be 500 mm × 300 mm × 10 mm，that of the short grouting duct should be 133 mm × 8 mm and that of the sealing plug should be 116 mm × 40 mm． With the optimized reinforcement measures，the stress concentration degree and the steel consumption are effectively reduced． Key words： concretefilled steel tuber support （ CFSTS ） ； numerical simulation； short grouting tube； reinforcement plate； sealing plug； reinforcement； stress concentration
第 31 卷 第 4 期 2011 年 8 月
隧道建设 Tunnel Construction
Vol． 31 No． 4 Aug． 2011
钢管混凝土支架注浆孔补强技术数值模拟分析
1， 2 1， 2 高延法 ，李学彬 ，王 1， 2 1 1 军大学，北京 100083 ； 2． 深部岩土力学与地下工程国家重点试验室 ，北京 100083 ）
泊松比 0． 3 0． 2 屈服强度 / MPa 260 19． 1
弹性模量 / MPa 2． 06 × 10 5 3． 25 × 10 4
圆钢核心混凝土模型采用 ABAQUS 软件提供的 ［13 － 15 ］ 。 单轴受压应力 － 应变关系表达 塑性损失模型 式如下： 。 （ 2） x x ＞1 β（ x － 1 ） η ε σ －5 ［ 0． 25 + （ ξ － 0． 5） 7 ］ · 式中： x = ； y = ； η =2； β = （ 2． 36 × 10 ） ε0 σ0 y=
－4 f2 ； σ0 = f c ， MPa； ε0 = ε c + 800 · ξ0． 2 ， 钢 c ·3． 51 × 10 管混凝土架短柱参数见表 2 。压板弹性模量为 2 ． 06 ×
{
2x
x≤1
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隧道建设
第 31 卷
计算效率和压应力精度要求的平衡角度出发 ， 钢管采 用 20 节点六面体二次完全积分格式的三维实体单元 （ C3D20R） ， 核心混凝土与其他结构件均采用 8 节点 六面体线性缩减积分格式的三维实体单元 （ C3D8I ） ， 钢管圆孔附近单元尺寸约为 7． 5 mm， 而其他区域的单 元尺寸约为 15 mm。
强措施后， 应力集中区转移到孔口背侧， 压应力集中程 度明显降低。补强措施的用钢量为 17． 82 kg。
图3 Fig． 3 图2 Fig． 2 钢管混凝土支架短柱结构及其网格划分 Structure and mesh of short column of CFSTS
无补强措施钢管混凝土支架短柱的钢管压应力分布图 Distribution of compressive stress of steel tube of short column of CFSTS without reinforcement measures
［10 － 12 ］
10 13 MPa， 泊松比为 0． 000 1 ， 加强板、 注浆短孔、 封孔塞 及焊点参数均采用钢管的材料参数 。
表2 Table 2
构件名称 钢管 压板 加强板 注浆短管 封孔塞
钢管混凝土支架短柱参数表 Parameters of short columns of CFSTS
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引言
随着煤矿开采深度的加大， 深井软岩及动压巷道 的支护难度也越来越大。 传统的 U 型钢可缩性支架 很难满足深井软岩与动压巷道的支护需要 。钢管混凝 具有优良的 土支架作为一种高支护反力的新型支架 ， ［1 － 7 ］ 。由于钢管混凝土支架需要在井下进行 承载能力 ， 由于钢管被削 注浆 所以需要开孔。当钢管开孔以后， ［8 － 10 ］ ， 弱， 会引起应力增加和强度减弱 必须采用补强
基金项目： 国家重点基础研究发展计划项目 （ 2006CB202200 ） ； 长江学者和创新团队发展计划项目（ IRT0656 ） ； 清华大学结构工程与振动教育部重点 试验室开放研究基金资助项目 （ 200801 ） 1991 年毕业于武汉水利电力学院岩土工程专业， 作者简介： 高延法 （ 1962 —） ， 男， 山东腾州人， 博士， 教授， 博士生导师， 主要从事软岩巷道支护和开 采沉陷控制等方面的教学与研究工作 。
第4 期
高延法，等 ：
钢管混凝土支架注浆孔补强技术数值模拟分析
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图1 Fig． 1
钢管混凝土支架短柱注浆口补强措施参数图
Grouting hole reinforcement parameters of short column of CFSTS
2
2． 1
钢管混凝土支架短柱力学模型
材料本构关系与力学参数 钢材采用 ABAQUS 软件中提供的等向弹塑性模
Numerical Simulation on Reinforcement of Grouting Hole of Short Column of Concretefilled Steel Tube Suuport
2 2 2 GAO Yanfa1， ，LI Xuebin1， ，WANG Jun1， ，QU Guanglong1 ，MA Pengpeng1 ，LU Kan1
e2
构件材料选择 无缝钢管 钢板 无缝钢管 无缝钢管 钢板
2． 2 （ 1）
界面模型
[
]ε
＜ ε s ＜ ε e3 。
混凝土完全充填钢管， 假定在加载过程中没有相 对滑动， 注浆管和加强板焊接在钢管上， 封孔塞塞入钢 管混凝土支架短柱开孔处直至外面与钢管外面相切 ， 混凝土、 注浆管、 加强板、 封孔塞及钢管之间的接触均 采用自动耦合的办法处理， 即认为这些连接处具有相 同连 续 的 自 由 度。 ABAQUS 分 析 时 采 用 约 束 命 令 （ Constraint） 中的绑定（ TIE ） 命令将接触面处的所有共 用节点的自由度完全耦合起来。 2． 3 边界条件及荷载施加方式 本文中的钢管混凝土支架的边界条件和荷载施加 方式较为明确。边界条件设定为： 钢管混凝土支架短 柱底部采用嵌固边界， 限制各个方向的位移及转动。 通过短柱顶部的压板逐渐施加轴向荷载 。压板设为弹 模极大的刚性体。 加载方式为荷载直接作用压板顶 部， 垂向荷载的施加为轴向压应力 （ Presssure ） ， 小变形 模式， 在弹性范围内对钢管混凝土短柱逐步加载， 压应 力值为 10 MPa， 分析钢管的压应力集中分布特征。 2． 4 单元类型选取及网格划分 有限元模型的网格划分采用映射自定义网格划 ， 分 在保证计算精度要求的前提下选择一个合理的网 格划分密度， 以取得计算效率和计算精度的平衡。 从
收稿日期： 2011 － 05 － 11
措施， 以保证钢管混凝土支架的整体支护强度。 为了 采用 研 究 开 孔 钢 管 混 凝 土 短 柱 补 强 措 施 的 性 能， ABAQUS 有限元软件对开孔钢管混凝土短柱的补强方 分析补强措施的补强效果。 案进行数值模拟，
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钢管混凝土支架注浆口补强措施
钢管混凝土支架注浆孔补强措施主要有加强板 、 注浆短管与封孔塞， 钢管混凝土支架短柱与注浆口结 构参数如图 1 所示。
式中： f y 为钢材的屈服极限； εe = 0． 8f y / Es ， εe1 = 1． 5 ε e ， ε e2 = 10 ε e1 ， ε e3 = 100 ε e1 。钢管采用直径 159 mm × 8 mm 无缝钢管， 材料参数见表 1 。