工程科学学报，第39卷.第8期：1141-1151,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1141-1151,August 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.002;htp:/journals..usth.edu.cn 方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用 王 琦2)，于恒昌)，江贝13》，章冲)，李术才)，何满潮)，孙会彬)， 秦 乾) 1)山东大学岩土与结构工程研究中心，济南2500612)中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083 3)济南大学土木建筑学院，济南250022 ☒通信作者，E-mail:chinawangqi@(163.com 摘要方钢约束混凝土(SQCC)拱架作为复杂条件地下工程中的一种新型支护方式，具备很高的支护强度和后期承载能 力，而拱架留设的灌浆孔因局部削弱和应力集中效应而成为拱架的关键破坏部位，对拱架整体承载能力具有很大的影响，需 对灌浆孔进行补强处理以提高拱架开孔后的整体强度.针对$QCC开孔短柱进行室内试验及数值试验，对比分析短柱变形破 坏形态、荷载位移曲线及极限承载力等力学性能，研究方钢约束混凝土拱架补强机制：建立约束混凝土强度及经济指标，综合 对比短柱补强效果.以SQCC150×8短柱为例，留设灌浆孔后短柱极限承载力相比SQCC短柱降低29.9%：侧弯钢板补强 (ASS)后短柱的强度指标达148.7%，经济指标为90.8%，补强效果最好，且补强钢板长度在180~240mm范围内，厚度为 8mm时，侧弯钢板对灌浆孔补强效果最明显，经济指标增长率最大.侧弯钢板补强试验结果在全比尺拱架室内试验中得到充 分验证，在现场巷道支护应用中效果良好，研究成果为约束混凝土支护设计提供了依据. 关键词方钢约束混凝土：灌浆孔：补强机制：全比尺力学试验：现场应用 分类号TD353+.2 Study and application of strengthening mechanism of square confined concrete arch with grouting holes WANG Qi,YU Heng-chang),JIANG Bei),ZHANG Chong,LI Shu-cai),HE Man-chao2),SUN Hui-bin),QIN Qian) 1)Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China 2)StateKey Laboratory for Geomechanies and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China 3)School of Civil Engineering and Architecture,University of Jinan,Jinan 250022,China Corresponding author,E-mail:chinawangqi@163.com ABSTRACT The new support way-square confined concrete (SQCC)arch in complex-condition underground engineering applica- tions has higher supporting strength and post-bearing capacity.The grouting holes become key parts of the arch with local weakening and stress concentration effects and greatly influence the bearing capacity of the whole arch.As such,it is necessary to reinforce this area.In laboratory tests and numerical experiments on SQCC test specimens with grouting holes,the strengthening mechanism was investigated by comparative analysis of the mechanical properties,including the deformation and failure patterns,load displacement curve,and ultimate bearing capacity.To compare the different reinforcing effects,strength and economic indexes were established. The results show the ultimate bearing capacity of a short column with grouting holes to be reduced by 29.9%compared to the SQCC short column.In a case study of the SQCC150 x8 short column,the reinforcement method using two-angle steel exhibited better rein- forcing effect,improving both the strength and economic indexes of short columns up to 148.7%and 90.8%,respectively.When the 收稿日期：2016-10-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51674154,51474095)：中国博士后科学基金特别资助项目(2017T100116,2017T100491):中国博士 后科学基金面上资助项目(2016M602144,2016M590150):国家重点研发计划专项资助项目(2016YFC0600901):深部岩土力学与地下工程国 家重点实验室开放基金资助项目(SKLGDUEK1519)
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1141鄄鄄1151,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1141鄄鄄1151, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用 王 琦1,2)苣 , 于恒昌1) , 江 贝1,3) , 章 冲1) , 李术才1) , 何满潮2) , 孙会彬1) , 秦 乾1) 1) 山东大学岩土与结构工程研究中心, 济南 250061 2) 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 北京 100083 3) 济南大学土木建筑学院, 济南 250022 苣 通信作者, E鄄mail: chinawangqi@ 163. com 摘 要 方钢约束混凝土(SQCC)拱架作为复杂条件地下工程中的一种新型支护方式,具备很高的支护强度和后期承载能 力,而拱架留设的灌浆孔因局部削弱和应力集中效应而成为拱架的关键破坏部位,对拱架整体承载能力具有很大的影响,需 对灌浆孔进行补强处理以提高拱架开孔后的整体强度. 针对 SQCC 开孔短柱进行室内试验及数值试验,对比分析短柱变形破 坏形态、荷载位移曲线及极限承载力等力学性能,研究方钢约束混凝土拱架补强机制;建立约束混凝土强度及经济指标,综合 对比短柱补强效果. 以 SQCC150 伊 8 短柱为例,留设灌浆孔后短柱极限承载力相比 SQCC 短柱降低 29郾 9% ;侧弯钢板补强 (ASS)后短柱的强度指标达 148郾 7% ,经济指标为 90郾 8% ,补强效果最好,且补强钢板长度在 180 ~ 240 mm 范围内,厚度为 8 mm 时,侧弯钢板对灌浆孔补强效果最明显,经济指标增长率最大. 侧弯钢板补强试验结果在全比尺拱架室内试验中得到充 分验证,在现场巷道支护应用中效果良好,研究成果为约束混凝土支护设计提供了依据. 关键词 方钢约束混凝土; 灌浆孔; 补强机制; 全比尺力学试验; 现场应用 分类号 TD353 + 郾 2 收稿日期: 2016鄄鄄10鄄鄄23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51674154,51474095); 中国博士后科学基金特别资助项目(2017T100116,2017T100491); 中国博士 后科学基金面上资助项目(2016M602144,2016M590150); 国家重点研发计划专项资助项目(2016YFC0600901); 深部岩土力学与地下工程国 家重点实验室开放基金资助项目(SKLGDUEK1519) Study and application of strengthening mechanism of square confined concrete arch with grouting holes WANG Qi 1,2)苣 , YU Heng鄄chang 1) , JIANG Bei 1,3) , ZHANG Chong 1) , LI Shu鄄cai 1) , HE Man鄄chao 2) , SUN Hui鄄bin 1) , QIN Qian 1) 1) Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China 2) StateKey Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China 3) School of Civil Engineering and Architecture, University of Jinan, Jinan 250022, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: chinawangqi@ 163. com ABSTRACT The new support way鄄square confined concrete ( SQCC) arch in complex鄄condition underground engineering applica鄄 tions has higher supporting strength and post鄄bearing capacity. The grouting holes become key parts of the arch with local weakening and stress concentration effects and greatly influence the bearing capacity of the whole arch. As such, it is necessary to reinforce this area. In laboratory tests and numerical experiments on SQCC test specimens with grouting holes, the strengthening mechanism was investigated by comparative analysis of the mechanical properties, including the deformation and failure patterns, load displacement curve, and ultimate bearing capacity. To compare the different reinforcing effects, strength and economic indexes were established. The results show the ultimate bearing capacity of a short column with grouting holes to be reduced by 29郾 9% compared to the SQCC short column. In a case study of the SQCC150 伊 8 short column, the reinforcement method using two鄄angle steel exhibited better rein鄄 forcing effect, improving both the strength and economic indexes of short columns up to 148郾 7% and 90郾 8% , respectively. When the
·1142· 工程科学学报，第39卷，第8期 length of the reinforcement plate ranges from 180-240 mm and the plate thickness is 8 mm,the reinforcement effect is best,and the economic index also reaches its peak value.Moreover,the angle steel strengthening (ASS)experiments was conducted in a full-scale laboratory test.The application of SOCC arches in roadway supports has a good effect,and these research results provide a basis for the design of confined concrete support. KEY WORDS square confined concrete;grouting holes;strengthening mechanism;full-scale mechanical test;field application 随着煤矿开采埋深的不断增加，极软岩、高应力、结果，验证数值试验的正确性 断层破碎带等因素造成深部巷道面临前所未有的支护1.1试验概况 难度-].针对复杂条件下的巷道围岩控制难题，国内1.1.1室内试验概况 外学者通过研究提出了多种支护形式，其中U型钢联 室内短柱轴压试验在山东大学结构实验室1000t 合支护技术的推广应用最为广泛[o-2].但随着巷道围 压力机上进行，如图1所示.试验过程中短柱试件与 岩条件的复杂化，常规的U型钢拱架支护常表现出支 压力加载装置几何对中，并采用分级加载的方式对试 护强度不足、工作阻力低、不能定量让压等问题，其承 件进行加载.试件沿纵向设置两个位移计，通过位移 载能力及经济性还需进一步提高[5-] 监测系统测定试件的纵向变形 方钢约束混凝土（以下简称SQCC)拱架因钢管壁 的约束作用使核心混凝土处于三向受压状态，提高混 凝土的抗压强度：核心混凝土的存在可有效地防止钢 试验机控制系统 管局部屈曲，改善钢管的刚度.钢管和核心混凝土产 监测系统 生“力的共生”作用，使拱架整体承载力远高于相应的 钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和，具有较高的支 护强度和后期承载能力.目前约束混凝土技术因其良 好的力学性能和经济性已广泛应用于地上工程中，并 逐渐开始被应用于地下工程支护中.笔者研发的方钢 约束混凝土支护体系在龙口矿区极软岩巷道、巨野矿 图1加载及监测系统 区千米深井巷道等处进行了大量应用，能有效控制复 Fig.1 Load and monitoring systems 杂条件巷道变形破坏[5-20] 约束混凝土支护体系为进行井下混凝土灌注需要 1.1.2数值试验概况 在拱架上留设灌浆孔，而开孔的钢管壁因局部削弱和 室内试验成本高、周期长，且采集数据有限.本 应力集中效应使灌浆孔成为关键破坏部位，降低了拱 文在室内试验研究的基础上，利用ABAQUS数值模 架的整体承载能力，必须进行灌浆孔补强以保证拱架 拟软件进行短柱轴压数值模拟，通过数值与室内试 的整体强度[21-23] 验的结果对比分析，验证数值模型及材料参数的合 目前，国内外还没有方钢约束混凝土拱架灌浆孔 理性，并对室内试验不能有效分析的试验情况进行 补强机制相关方面的研究，本文为研究不同灌浆孔补 补充研究. 强措施下拱架的力学性能，设计了三种灌浆孔补强方 (1)钢材本构关系 式进行短柱轴压试验，并通过ABAQUS数值软件进行 约束混凝土构件中方钢管常采用薄钢板冷弯制 模拟验证，研究不同补强措施下短柱的关键破坏部位、 成，期间弯角处钢板因塑性变形常导致钢材出现强化 变形破坏形态、荷载位移曲线以及极限承载力等力学 和硬化现象.通过对常规钢材拉伸试验所得数据进行 特性，结合补强后短柱的强度及经济指标，综合对比得 加权计算，得出了方钢管钢材应力-应变（σ-ε）关系 到SQCC短柱灌浆孔的最优补强措施，最终通过拱架 曲线如图2所示.其中：屈服强度∫为409MPa,极限强 全比尺室内试验和现场支护应用进行验证. 度∫为594MPa,弹模E.为2.04GPa (2)混凝土本构关系[24] 1短柱轴压试验 考虑钢管约束效应系数对核心混凝土的影响，本 SQCC拱架是一种新型的高强支护方式，为了明 文混凝土采用适用于ABAQUS的核心混凝土塑性损 确SQCC短柱以及留设灌浆孔短柱的力学性能及承载 伤模型，其应力-应变关系为： 力变化规律，进行留设与不留设灌浆孔短柱室内轴压 2x-x2, (x≤1)； 试验，并通过ABAQUS软件进行数值试验，明确短柱 (1) B(x-1)”+x' (x>1). 破坏形态与力学性能，同时对比室内试验及数值试验
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 length of the reinforcement plate ranges from 180鄄鄄240 mm and the plate thickness is 8 mm, the reinforcement effect is best, and the economic index also reaches its peak value. Moreover, the angle steel strengthening (ASS) experiments was conducted in a full鄄scale laboratory test. The application of SQCC arches in roadway supports has a good effect, and these research results provide a basis for the design of confined concrete support. KEY WORDS square confined concrete; grouting holes; strengthening mechanism; full鄄scale mechanical test; field application 随着煤矿开采埋深的不断增加,极软岩、高应力、 断层破碎带等因素造成深部巷道面临前所未有的支护 难度[1鄄鄄9] . 针对复杂条件下的巷道围岩控制难题,国内 外学者通过研究提出了多种支护形式,其中 U 型钢联 合支护技术的推广应用最为广泛[10鄄鄄12] . 但随着巷道围 岩条件的复杂化,常规的 U 型钢拱架支护常表现出支 护强度不足、工作阻力低、不能定量让压等问题,其承 载能力及经济性还需进一步提高[13鄄鄄14] . 方钢约束混凝土(以下简称 SQCC)拱架因钢管壁 的约束作用使核心混凝土处于三向受压状态,提高混 凝土的抗压强度;核心混凝土的存在可有效地防止钢 管局部屈曲,改善钢管的刚度. 钢管和核心混凝土产 生“力的共生冶作用,使拱架整体承载力远高于相应的 钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和,具有较高的支 护强度和后期承载能力. 目前约束混凝土技术因其良 好的力学性能和经济性已广泛应用于地上工程中,并 逐渐开始被应用于地下工程支护中. 笔者研发的方钢 约束混凝土支护体系在龙口矿区极软岩巷道、巨野矿 区千米深井巷道等处进行了大量应用,能有效控制复 杂条件巷道变形破坏[15鄄鄄20] . 约束混凝土支护体系为进行井下混凝土灌注需要 在拱架上留设灌浆孔,而开孔的钢管壁因局部削弱和 应力集中效应使灌浆孔成为关键破坏部位,降低了拱 架的整体承载能力,必须进行灌浆孔补强以保证拱架 的整体强度[21鄄鄄23] . 目前,国内外还没有方钢约束混凝土拱架灌浆孔 补强机制相关方面的研究,本文为研究不同灌浆孔补 强措施下拱架的力学性能,设计了三种灌浆孔补强方 式进行短柱轴压试验,并通过 ABAQUS 数值软件进行 模拟验证,研究不同补强措施下短柱的关键破坏部位、 变形破坏形态、荷载位移曲线以及极限承载力等力学 特性,结合补强后短柱的强度及经济指标,综合对比得 到 SQCC 短柱灌浆孔的最优补强措施,最终通过拱架 全比尺室内试验和现场支护应用进行验证. 1 短柱轴压试验 SQCC 拱架是一种新型的高强支护方式,为了明 确 SQCC 短柱以及留设灌浆孔短柱的力学性能及承载 力变化规律,进行留设与不留设灌浆孔短柱室内轴压 试验,并通过 ABAQUS 软件进行数值试验,明确短柱 破坏形态与力学性能,同时对比室内试验及数值试验 结果,验证数值试验的正确性. 1郾 1 试验概况 1郾 1郾 1 室内试验概况 室内短柱轴压试验在山东大学结构实验室 1000 t 压力机上进行,如图 1 所示. 试验过程中短柱试件与 压力加载装置几何对中,并采用分级加载的方式对试 件进行加载. 试件沿纵向设置两个位移计,通过位移 监测系统测定试件的纵向变形. 图 1 加载及监测系统 Fig. 1 Load and monitoring systems 1郾 1郾 2 数值试验概况 室内试验成本高、周期长,且采集数据有限. 本 文在室内试验研究的基础上,利用 ABAQUS 数值模 拟软件进行短柱轴压数值模拟,通过数值与室内试 验的结果对比分析,验证数值模型及材料参数的合 理性,并对室内试验不能有效分析的试验情况进行 补充研究. (1)钢材本构关系. 约束混凝土构件中方钢管常采用薄钢板冷弯制 成,期间弯角处钢板因塑性变形常导致钢材出现强化 和硬化现象. 通过对常规钢材拉伸试验所得数据进行 加权计算,得出了方钢管钢材应力鄄鄄 应变(滓鄄鄄 着) 关系 曲线如图2 所示. 其中:屈服强度 f y为409 MPa,极限强 度 f u为 594 MPa,弹模 Es为 2郾 04 GPa. (2) 混凝土本构关系[24] . 考虑钢管约束效应系数对核心混凝土的影响,本 文混凝土采用适用于 ABAQUS 的核心混凝土塑性损 伤模型,其应力鄄鄄应变关系为: y = 2x - x 2 , (x臆1); x 茁0 (x - 1) 浊 + x { , (x > 1). (1) ·1142·
王琦等：方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用 ·1143· 800 1.5/x,e.=(1300+12.5f)×10-6,B。= ()a1 1.21+ξ 600 其中，厂为混凝土圆柱体抗压强度，专为约束效应系 数，以上各式中混凝土的抗压强度单位为MPa 1.2试验方案设计 短柱轴压试验设计了两类试件，第一类为普通 200 SQCC短柱，第二类为留设灌浆f孔(GH-grouting holes) SQCC短柱.“SQCC150×8”、“SQCC150×8-GH”分 0.1 0.2 0.3 别表示方钢约束混凝土试件与留设灌浆孔约束混凝 图2加权后心-￡关系曲线 土试件边长为l50mm,厚度为8mm.设计试件高度 Fig.2 Curves of weighted stress-strain 为3倍的方钢管边长，即取450mm;灌浆孔直径 80mm,孔心距离短柱底端225mm,短柱试件参数如 r= 式中，x=￡ 0.80=8.+8002×106,7=1.6+ 图3所示. a (b) 80 150 150 3 日 80 200 200 图3短柱尺寸图（单位：mm).(a)SQCC150×8:(b)SQCC150×8-GH Fig.3 Short column sizes (unit:mm):(a)SQCC150 x8;(b)SQCC150 x8-GH 1.3试验结果分析 1.3.2荷载-位移曲线分析 通过研究短柱轴压试验全过程，对比分析两类短 图5为试件室内试验与数值试验的荷载-位移对 柱变形破坏形态及力学性能，明确灌浆孔对试件的削 比曲线，其中图5(a)为SQCC常规短柱荷载-位移对 弱作用，同时验证数值试验模型及参数的合理性，为进 比曲线，图5(b)为SQCC开孔短柱的荷载-位移对比 一步开展短柱试件关键部位补强数值试验奠定基础. 曲线 1.3.1破坏形态分析 分析可知： 部分试件典型破坏形态如图4所示，对比分析两 ①SQCC及其开孔短柱的室内试验与数值试验曲 种短柱受压失稳后的变形破坏形态. 线具有很好的一致性，且不同短柱的荷载-位移曲线 (1)普通SQCC短柱呈现出腰鼓型的破坏形态. 趋势相似，均经历了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段 短柱试件在初期加载时无明显的变形特征，随着荷载 和稳定阶段. 的增加，局部钢管壁开始出现剪切滑移线；持续加载至 ②与普通SQCC短柱相比，短柱留设灌浆孔后， 极限荷载的70%左右时，试件表面出现了较为明显的 其屈服强度和极限承载力等都有较大程度的下降 屈曲波波峰：继续加载，短柱变形破坏 1.3.3承载力对比分析 (2)留设灌浆孔后，短柱呈现出明显的多折腰鼓 表1为两种短柱的室内和数值试验极限承载力结 型破坏形态.试验过程中，随着荷载的增加灌浆孔及 果对比，分析可知： 附近位置开始出现应力集中现象，短柱开孔处率先压 ①对比两种短柱的数值试验与室内试验结果，极 扁破坏：继续加载，短柱产生了明显的屈曲波波峰，继 限承载力的差异率最大仅为2.1%，试验结果基本保 而失稳破坏 持一致，证明了数值试验所建模型、材料参数以及荷载
王 琦等: 方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用 图 2 加权后 滓鄄鄄着 关系曲线 Fig. 2 Curves of weighted stress鄄鄄strain 式中,x = 着 着0 ,y = 滓 滓0 ,着0 = 着c + 800孜 0郾 2 伊 10 - 6 ,浊 = 1郾 6 + 1郾 5 / x,着c = (1300 + 12郾 5f忆c ) 伊 10 - 6 ,茁0 = (f忆c) 0郾 1 1郾 2 1 + 孜 . 其中,f忆c 为混凝土圆柱体抗压强度,孜 为约束效应系 数,以上各式中混凝土的抗压强度单位为 MPa. 1郾 2 试验方案设计 短柱轴压试验设计了两类试件,第一类为普通 SQCC 短柱,第二类为留设灌浆孔(GH鄄grouting holes) SQCC 短柱. “ SQCC150 伊 8 冶 、“ SQCC150 伊 8鄄GH冶 分 别表示方钢约束混凝土试件与留设灌浆孔约束混凝 土试件边长为 150 mm,厚度为 8 mm. 设计试件高度 为 3 倍 的 方 钢 管 边 长, 即 取 450 mm; 灌 浆 孔 直 径 80 mm,孔心距离短柱底端 225 mm,短柱试件参数如 图 3 所示. 图 3 短柱尺寸图(单位:mm). (a) SQCC150 伊 8; (b) SQCC150 伊 8鄄GH Fig. 3 Short column sizes (unit: mm): (a) SQCC150 伊 8; (b) SQCC150 伊 8鄄GH 1郾 3 试验结果分析 通过研究短柱轴压试验全过程,对比分析两类短 柱变形破坏形态及力学性能,明确灌浆孔对试件的削 弱作用,同时验证数值试验模型及参数的合理性,为进 一步开展短柱试件关键部位补强数值试验奠定基础. 1郾 3郾 1 破坏形态分析 部分试件典型破坏形态如图 4 所示,对比分析两 种短柱受压失稳后的变形破坏形态. (1) 普通 SQCC 短柱呈现出腰鼓型的破坏形态. 短柱试件在初期加载时无明显的变形特征,随着荷载 的增加,局部钢管壁开始出现剪切滑移线;持续加载至 极限荷载的 70% 左右时,试件表面出现了较为明显的 屈曲波波峰;继续加载,短柱变形破坏. (2) 留设灌浆孔后,短柱呈现出明显的多折腰鼓 型破坏形态. 试验过程中,随着荷载的增加灌浆孔及 附近位置开始出现应力集中现象,短柱开孔处率先压 扁破坏;继续加载,短柱产生了明显的屈曲波波峰,继 而失稳破坏. 1郾 3郾 2 荷载鄄鄄位移曲线分析 图 5 为试件室内试验与数值试验的荷载鄄鄄位移对 比曲线,其中图 5( a)为 SQCC 常规短柱荷载鄄鄄 位移对 比曲线,图 5( b)为 SQCC 开孔短柱的荷载鄄鄄 位移对比 曲线. 分析可知: 淤 SQCC 及其开孔短柱的室内试验与数值试验曲 线具有很好的一致性,且不同短柱的荷载鄄鄄 位移曲线 趋势相似,均经历了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段 和稳定阶段. 于 与普通 SQCC 短柱相比,短柱留设灌浆孔后, 其屈服强度和极限承载力等都有较大程度的下降. 1郾 3郾 3 承载力对比分析 表 1 为两种短柱的室内和数值试验极限承载力结 果对比,分析可知: 淤 对比两种短柱的数值试验与室内试验结果,极 限承载力的差异率最大仅为 2郾 1% ,试验结果基本保 持一致,证明了数值试验所建模型、材料参数以及荷载 ·1143·
·1144. 工程科学学报，第39卷，第8期 应力MPa 口+5.288x10 -+4.848×10 +4.408×10 +3.967×10 +3.527×102 +3.087×102 +2.646×102 +2.206x102 +1.766×10 +1.325×10 014 +8.850x10 +4.447×10 +4.372x101 00e+0 b 应力/MPa 直t+5.939x10 +5.445×102 +4.950x10 +4.456x102 +3.961×102 +3.467x10° +2.972×102 +2.478×102 +1.983x102 +1.489×102 +9.941×101 +4.996×101 +5.108×10-1 图4试件典型破坏形态.(a)SQCC150×8:(b)SQCC150×8-GH Fig.4 Typical failure modes of components:(a)SQCC150 x8;(b)SQCC150 x8-GH (a) 3000 b) 2000 2500 2000 1500 1500 逗1000 1000 室内试验·一数值试验 ◆一数值试验一室内试验 500 500 》 10 15 20 5 10 15 位移mm 位移fmm 图5室内和数值试验荷载-位移对比曲线.(a)S0CC150×8:(b)S0CC150×8-GH Fig.5 Load-strain curves of laboratory tests and numerical experiments:(a)SQCC150 x8;(b)SQCC150 x8-GH 条件的合理性 明SOCC短柱在开孔后轴压强度明显降低，需进行灌 ②与普通SQCC短柱相比，留设灌浆孔后短柱的 浆孔处的有效补强.针对性研究SQCC短柱补强特性 轴压承载力降低了29.9%（以室内试验结果为准），表 对提高短柱及拱架的承载性能具有重要的价值
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 4 试件典型破坏形态. (a) SQCC150 伊 8; (b) SQCC150 伊 8鄄GH Fig. 4 Typical failure modes of components: (a) SQCC150 伊 8; (b) SQCC150 伊 8鄄GH 图 5 室内和数值试验荷载鄄鄄位移对比曲线. (a) SQCC150 伊 8; (b) SQCC150 伊 8鄄GH Fig. 5 Load鄄strain curves of laboratory tests and numerical experiments: (a) SQCC150 伊 8; (b) SQCC150 伊 8鄄GH 条件的合理性. 于 与普通 SQCC 短柱相比,留设灌浆孔后短柱的 轴压承载力降低了 29郾 9% (以室内试验结果为准),表 明 SQCC 短柱在开孔后轴压强度明显降低,需进行灌 浆孔处的有效补强. 针对性研究 SQCC 短柱补强特性 对提高短柱及拱架的承载性能具有重要的价值. ·1144·
王琦等：方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用 ·1145· 表1室内试验与数值试验结果对比 数见图6. Table 1 Contrast between laboratory tests and numerical experiment re- 2.1.2试验结果分析 sults (1)破坏形态分析 室内试验极限 数值试验极限 差异 短柱类别 图7为三种补强方式下SQCC开孔短柱的数值试 承载力/kN 承载力/kN 率/% 验破坏形态，对比不同短柱变形过程及破坏形态，分析 SQCC 2726.0 2685.5 1.5 结果如下： SOCC-GH 1911.2 1871.1 2.1 ①侧弯钢板补强方式下短柱在试验初期未观测 到明显的变形破坏特征：随着荷载的增加，短柱逐渐 2短柱灌浆孔补强机制影响规律 进人弹塑性变形阶段，以补强钢板的上下边缘为界， 短柱在补强钢板上下两侧位置出现剪切线，短柱变 2.1SQCC短柱灌浆孔补强方式研究 形较小：当荷载继续增加至短柱极限荷载的80%左 2.1.1 补强方案设计 右时，钢板上下两侧开始出现屈曲波波峰，且随着荷 为研究不同补强措施对SQCC开孔短柱轴压承载 载增加，呈现出更为明显的屈曲波现象.在整个试验 力等力学性能的影响，通过改变补强钢板的形状和厚 过程中，灌浆孔及附近位置未产生明显的变形现象， 度，设计了侧弯钢板补强(angle steel strengthen,ASS)、 补强钢板上下两侧成为关键破坏部位，短柱补强效 开孔钢板补强(perforated plate strengthen,PPS)和周边 果尤为明显：同时室内试验与数值试验的破坏形态 钢板补强(surrounding plate strengthen,SPS)三类数值 具有很好的一致性. 方案. ②开孔钢板补强方式下短柱在试验初期无明显 为方便进行短柱补强试验对比研究，短柱构造参 变形破坏特征：随着荷载增加，灌浆孔及附近位置开始 数不变，补强钢板设计含钢量相同.侧弯钢板、开孔钢 出现应力集中现象，变形较小：当荷载逐渐增加至短柱 板和周边钢板三种补强钢板的体积分别为306.5、 极限荷载的70%左右时，灌浆孔率先产生压扁破坏， 309.3和308.2cm3,三者最大差异率为0.9%，具体参 成为短柱的关键破坏部位：随着荷载的继续增加，短柱 110 55 680 80 8 80 径23 70 华径23 ,7032 图6不同补强方案的尺寸与模型图（单位：mm).(a)侧弯钢板补强：(b)开孔钢板补强：(c)周边钢板补强 Fig.6 Size and model diagrams of various strengthening schemes (unit:mm):(a)ASS;(b)PPS;(c)SPS (a) (b) (c) 应力MPa 应力MPa 应力/MPa +5.939x102 +5.939x102 +5.445×10 +5.445x10 +4.950×102 +4.950×102 +4.950x10 +4.455×10 +4.456×102 -+4.456x102 +3.96×10 +3.961×10 +3.961×10 +3466x10P +3.467×10P +3.467×10 42.977×10 +2.972×102 +2.972x102 +2.477×102 +2.477×102 +2.478×10 +1.982×102 +1.983x102 +1.983×102 +1.488×10 +1,488×10 +1.489x102 49932×101 +9.932×101 +9.941×101 +4.986x10 +4.992x10 +4.996×10 +4.037×10-1 +4.467×101 +5.108x10- 图7不同补强方式下短柱典型破坏形态.(a)侧弯钢板补强：(b)开孔钢板补强：(c)周边钢板补强 Fig.7 Short column typical failure modes of different strengthening methods:(a)ASS;(b)PPS;(c)SPS
王 琦等: 方钢约束混凝土拱架补强机制研究及应用 表 1 室内试验与数值试验结果对比 Table 1 Contrast between laboratory tests and numerical experiment re鄄 sults 短柱类别 室内试验极限 承载力/ kN 数值试验极限 承载力/ kN 差异 率/ % SQCC 2726郾 0 2685郾 5 1郾 5 SQCC鄄GH 1911郾 2 1871郾 1 2郾 1 2 短柱灌浆孔补强机制影响规律 2郾 1 SQCC 短柱灌浆孔补强方式研究 2郾 1郾 1 补强方案设计 为研究不同补强措施对 SQCC 开孔短柱轴压承载 力等力学性能的影响,通过改变补强钢板的形状和厚 度,设计了侧弯钢板补强(angle steel strengthen, ASS)、 开孔钢板补强(perforated plate strengthen, PPS)和周边 钢板补强( surrounding plate strengthen, SPS)三类数值 方案. 为方便进行短柱补强试验对比研究,短柱构造参 数不变,补强钢板设计含钢量相同. 侧弯钢板、开孔钢 板和周边钢板三种补强钢板的体积分别为 306郾 5、 309郾 3 和 308郾 2 cm 3 ,三者最大差异率为 0郾 9% ,具体参 数见图 6. 2郾 1郾 2 试验结果分析 (1)破坏形态分析. 图 7 为三种补强方式下 SQCC 开孔短柱的数值试 验破坏形态,对比不同短柱变形过程及破坏形态,分析 结果如下: 淤 侧弯钢板补强方式下短柱在试验初期未观测 到明显的变形破坏特征;随着荷载的增加,短柱逐渐 进入弹塑性变形阶段,以补强钢板的上下边缘为界, 短柱在补强钢板上下两侧位置出现剪切线,短柱变 形较小;当荷载继续增加至短柱极限荷载的 80% 左 右时,钢板上下两侧开始出现屈曲波波峰,且随着荷 载增加,呈现出更为明显的屈曲波现象. 在整个试验 过程中,灌浆孔及附近位置未产生明显的变形现象, 补强钢板上下两侧成为关键破坏部位,短柱补强效 果尤为明显;同时室内试验与数值试验的破坏形态 具有很好的一致性. 于 开孔钢板补强方式下短柱在试验初期无明显 变形破坏特征;随着荷载增加,灌浆孔及附近位置开始 出现应力集中现象,变形较小;当荷载逐渐增加至短柱 极限荷载的 70% 左右时,灌浆孔率先产生压扁破坏, 成为短柱的关键破坏部位;随着荷载的继续增加,短柱 图 6 不同补强方案的尺寸与模型图(单位:mm). (a) 侧弯钢板补强; (b) 开孔钢板补强; (c) 周边钢板补强 Fig. 6 Size and model diagrams of various strengthening schemes (unit: mm): (a) ASS; (b) PPS; (c) SPS 图 7 不同补强方式下短柱典型破坏形态. (a) 侧弯钢板补强; (b) 开孔钢板补强; (c) 周边钢板补强 Fig. 7 Short column typical failure modes of different strengthening methods: (a) ASS; (b) PPS; (c) SPS ·1145·