模袋钢纤维砼支架材料性能与构件强度特性初步研究

发布时间：2018-11-27 10:39

【摘要】：支架支护是目前巷道常用的支护方式,可有效控制围岩变形。本文结合传统砌碹结构、钢纤维混凝土与土工模袋混凝土的优缺点,研发了造价低、施工方便的模袋钢纤维砼支架支护体系。为探究该支架核心材料(钢纤维混凝土)的力学特性,开展了钢纤维混凝土试件轴拉、轴压试验。结果显示,随纤维体积率的增加,钢纤维混凝土轴拉强度的增长趋势越来越平缓,轴压应力-应变曲线变得越来越饱满;基体混凝土的强度从C30提高到C50时,钢纤维混凝土的极限抗拉、抗压强度提高了 31.6%、68%,而残余抗拉强度仅提高了 6.7%、20%。基于复合力学理论,推导了钢纤维混凝土弹性模量、泊松比计算公式,发现两者的大小随外部压力不断变化,且初始值与素混凝土相同;推导了钢纤维混凝土抗压强度表达式,改进了钢纤维混凝土抗拉强度表达式。使用损伤本构模型与数据拟合方法对钢纤维混凝土本构曲线进行公式化表达。为探究支架构件的强度特性,进行不同钢纤维体积率、混凝土基体强度、轴径比的轴压短柱构件试验,结果显示:当轴径比为2.25,钢纤维体积率分别为1%、2%、3%时,与素混凝土短柱相比,短柱构件的极限承载力分别提高了9.9%、13.4%、19.7%,对应的峰值位移分别提高了 7.5%、12.5%、29%,峰值后下降段斜率分别为-744、-441、-302;由此可知,钢纤维体积率越大,轴压短柱构件的极限强度越高,塑性破坏特征越明显;当钢纤维体积率为2%,轴径比从3.3降为2.5、从2.5降为2时,短柱构件的极限强度分别增加421KN、546KN,残余强度分别增加53KN、406KN;故随着轴径比的减小,短柱构件的极限强度和残余强度均有明显增加;混凝土基体强度从C30增至C40、从C40增至C50时,短柱构件的极限强度增幅分别为353KN、154KN,残余强度增幅分别为80KN、84KN;可见随着混凝土基体强度的增加,短柱构件的极限强度有所增加,但残余强度增加不明显。同时,进行了不同钢纤维体积率、外掺材料、约束材料的纯弯曲梁构件纯弯曲试验,结果显示:钢纤维+碳纤维网格布约束混凝土梁抗弯承载力是素混凝土梁的 2.5 倍;而其余类型构件(W-2-40-200-I、W-1-40-200、W-2-40-200、W-3-40-200)的抗弯承载力分别为素混凝土梁构件的1.14倍、1.2倍、1.48倍、1.67倍。钢纤维+碳纤维网格布约束梁构件峰值挠度达到了素混凝土构件的3.65倍,纯钢纤维混凝土材料次之;短切钢筋混凝土梁构件跨中峰值挠度仅为素混凝土的1.02倍。利用ABAQUS数值分析软件进行轴压短柱构件和纯弯曲梁构件的数值试验,结果显示:轴压短柱模型的等效应力集中区从模型内部上下两端向核心聚集,随后新的等效应力集中区继续出现在模型内部上下两端并向核心聚集,如此循环,直至模型破坏。不同混凝土基体强度纯弯曲梁构件在弹性阶段的力学行为相同,增加混凝土基体强度有助于提高构件的峰值及峰值后阶段的弯矩承载力和变形能力。将模袋钢纤维砼支架与U型钢支架、钢管混凝土支架进行支护能力与成本的初步对比,结果显示:将模袋钢纤维砼支架的截面直径增加一倍后,其支护能力分别达到后两者的1.56倍和1.15倍,但每架造价仅分别为后两者的44.5%和41.4%。该支架省工省料优势明显,可为巷道支护带来极大的经济效益。
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【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD353

【参考文献】