侯和濤，馬素，王琦，金延俊，朱文燦，陳磊

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薄壁鋼管混凝土拱架在隧道支護(hù)中的受力特性

侯和濤1，馬素1，王琦2，金延俊3，朱文燦1，陳磊1

(1. 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南，250061；2. 山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程中心，山東濟(jì)南，250061；3. 綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，四川綿陽(yáng)，621000)

結(jié)合濟(jì)南某電纜隧道工程實(shí)例，設(shè)計(jì)5榀薄壁鋼管混凝土拱架與1榀格柵鋼架。試驗(yàn)探討鋼管壁厚、鋼管拼接節(jié)點(diǎn)形式、有無(wú)混凝土填充對(duì)薄壁鋼管混凝土拱架力學(xué)性能的影響，并與傳統(tǒng)的格柵鋼架進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明：在較短時(shí)間內(nèi)，薄壁鋼管混凝土拱架即能使圍巖達(dá)到穩(wěn)定，其抗變形能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的格柵鋼架；與普通套管相比，采用新型插入式灌漿節(jié)點(diǎn)連接的支架具有較強(qiáng)的抗變形能力；拱頂、節(jié)點(diǎn)以及柱腳位置應(yīng)變的絕對(duì)值較大。采用有限元程序ABAQUS對(duì)試件進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，計(jì)算模型及參數(shù)選取合理，可應(yīng)用于類(lèi)似工程。

薄壁鋼管混凝土；隧道支護(hù)；灌漿套管；有限元分析

目前，隧(巷)道支護(hù)多采用格柵鋼架、型鋼拱架等形式，但對(duì)軟巖大變形的控制很難達(dá)到理想的效果。近年來(lái)逐漸興起的鋼管混凝土拱架具有塑性好、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在隧(巷)道支護(hù)上具有廣闊的應(yīng)用前 景[1?3]。鋼管混凝土受壓時(shí)，核心混凝土可有效防止鋼管凹陷失穩(wěn)；同時(shí)在鋼管的約束下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，具有更高的強(qiáng)度和塑性，2種材料在力學(xué)性能上存在“共生”現(xiàn)象[4]。高延法等[5?9]主要開(kāi)展了鋼管混凝土拱架及約束混凝土拱架的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼管混凝土拱架具有較強(qiáng)的剛度，能有效抵抗圍巖變形。然而，該類(lèi)拱架仍然存在著鋼材用量大、節(jié)點(diǎn)處焊接量大、施工工時(shí)長(zhǎng)等方面的問(wèn)題，有待進(jìn)一步優(yōu)化。為解決上述問(wèn)題，本文作者采用薄壁鋼管混凝土拱架代替普通鋼管混凝土拱架進(jìn)行試驗(yàn)研究，并設(shè)計(jì)一種新型柔性節(jié)點(diǎn)即插入式灌漿節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，以往人們對(duì)于薄壁鋼管混凝土拱架力學(xué)性能等方面的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，而將其作為隧道支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究較少[10?12]。為深入研究薄壁鋼管混凝土拱架在隧道支護(hù)中的應(yīng)用，本文作者在濟(jì)南某電纜隧道工程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)，并采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

試驗(yàn)位于濟(jì)南某電纜隧道施工現(xiàn)場(chǎng)。該隧道基本處于強(qiáng)風(fēng)化巖層中，覆土厚度為6.5~8.0 m，長(zhǎng)度為150.0 m。隧道采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，導(dǎo)管縱距1.5 m，然后噴射C25早強(qiáng)混凝土進(jìn)行全斷面初期支護(hù)，隨后進(jìn)行格柵鋼架或薄壁鋼管混凝土支護(hù)，最后進(jìn)行二次襯砌，采用C30防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)不小于P8。

1.2 試件設(shè)計(jì)及加工

圖1所示為鋼管混凝土拱架尺寸及分段。為了減輕構(gòu)件自重以及方便運(yùn)輸安裝，本試驗(yàn)將整個(gè)鋼管支護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)成多段，每段鋼管一端封死一端開(kāi)口，待每段鋼管填充混凝土振搗密實(shí)后，再用預(yù)制的封頭板將其封死進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后將各段運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼接。根據(jù)工程前期土質(zhì)勘察情況，未在本試驗(yàn)中的ST-1~ST-5拱架試件中設(shè)置反拱段[13?14]。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6榀試驗(yàn)構(gòu)件，分別為5榀薄壁鋼管混凝土拱架和1榀格柵鋼架，薄壁鋼管混凝土試件參數(shù)見(jiàn)表1，GS鋼架截面見(jiàn)圖2。其中，ST代表薄壁鋼管，GS代表格柵。

數(shù)據(jù)單位：mm

表1 薄壁鋼管混凝土試件參數(shù)

數(shù)據(jù)單位：mm

圖3所示為插入式灌漿節(jié)點(diǎn)大樣。由圖3可見(jiàn)：針對(duì)隧道內(nèi)的鋼管對(duì)接，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)點(diǎn)即插入式灌漿節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)在王震等[15]對(duì)預(yù)應(yīng)力灌漿套管的研究基礎(chǔ)之上加以改進(jìn)。此種連接方式與傳統(tǒng)的套管連接及法蘭連接等方式相比，具有一定的伸縮性；同時(shí)采用微膨脹水泥砂漿進(jìn)行灌漿可減少支護(hù)安裝時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)施焊，并避免因鋼管對(duì)接而產(chǎn)生的隧道超開(kāi)挖。

數(shù)據(jù)單位：mm

按GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定對(duì)試件用鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所用鋼材均為Q235B鋼板，測(cè)得鋼管屈服強(qiáng)度f=255.3 MPa，抗拉強(qiáng)度f=330.7 MPa，彈性模量=2.06×105MPa，泊松比= 0.30。

試驗(yàn)采用C40混凝土，材料配合比及力學(xué)性能如表2所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及分析

2.1 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案

2.1.1 位移監(jiān)測(cè)

本試驗(yàn)位移監(jiān)測(cè)包含支架兩幫收斂監(jiān)測(cè)與頂部沉降監(jiān)測(cè)。支架兩幫收斂值采用收斂計(jì)測(cè)定，頂部沉降量采用水準(zhǔn)儀測(cè)定。

2.1.2應(yīng)變監(jiān)測(cè)

由于試件為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故僅在一側(cè)設(shè)置光纖和電阻應(yīng)變片，如圖4所示。測(cè)點(diǎn)布置可分為拱頂測(cè)區(qū)(1，1，1)、最大彎角測(cè)區(qū)(2，2)、直墻段頂端測(cè)區(qū)(3，1)、節(jié)點(diǎn)測(cè)區(qū)(1~4)及直墻段測(cè)區(qū)(2)，其中1，2和3為光纖光柵布測(cè)點(diǎn)[16]。

圖4 光纖和電阻應(yīng)變片布置圖

2.1.3 壓力監(jiān)測(cè)

每榀支架設(shè)置3個(gè)壓力計(jì)(Y1~Y3)，壓力計(jì)布置如圖5所示。壓力計(jì)布置在支架和圍巖之間，并用鋼筋綁扎至支護(hù)外表面的設(shè)計(jì)位置。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖6所示為兩幫收斂?時(shí)間曲線(xiàn)。10 d后，隧道的水平和垂直變形基本達(dá)到穩(wěn)定，因此，后期不明顯變形未在圖中體現(xiàn)。隧道的兩幫收斂值均小于1.7 mm，前3 d各拱架收斂值較為接近，后期鋼管拱架(ST2除外)收斂值均低于格柵鋼架。在第8天之后，出現(xiàn)ST2拱架收斂值與GS鋼架收斂值較接近的現(xiàn)象，推測(cè)是由于ST2拱架中的混凝土填充不夠均勻?qū)е隆T1~ST3拱架的收斂值并未隨壁厚降低而減少，說(shuō)明具有可縮行的新型節(jié)點(diǎn)對(duì)兩幫收斂值影響較大。圖7所示為拱頂沉降量?時(shí)間曲線(xiàn)，薄壁鋼管混凝土拱架ST-1~ST-3、空心鋼管拱架ST-4和GS鋼架的拱頂最大沉降量分別小于5.0，7.5和7.0 mm。

表2 混凝土材料用量及力學(xué)性能

圖5 壓力計(jì)布置圖

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

圖8所示為兩幫荷載?收斂曲線(xiàn)。從圖8可見(jiàn)：各曲線(xiàn)的斜率基本未發(fā)生變化；空心鋼管拱架ST-4的斜率明顯低于其他拱架的曲線(xiàn)斜率，說(shuō)明是否填充混凝土均對(duì)支架剛度具有顯著的影響；隨著管壁的加厚，ST-1~ST-3拱架直線(xiàn)斜率增大，水平變形降低；在相同荷載作用下，由于GS鋼架水平方向剛度有所提高(下部由反拱段連成一體)，使得薄壁鋼管混凝土拱架的水平變形值略比GS鋼架的大。

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

圖9所示為拱頂荷載?沉降曲線(xiàn)。從圖9可見(jiàn)：受荷初期，ST-1~ST-3拱架曲線(xiàn)出現(xiàn)下凹段，一方面是由于新型節(jié)點(diǎn)具有一定的可縮性，另一方面是由于拱架與圍巖之間的空隙受到擠壓，此后近似為直線(xiàn)段；隨著壁厚減小，拱架的垂直變形增大；ST-4拱架為空心鋼管，因此，空隙壓密以及節(jié)點(diǎn)壓縮的時(shí)間很短，故雖采用新型節(jié)點(diǎn)但未出現(xiàn)明顯下凹段，同時(shí)曲線(xiàn)斜率最低，產(chǎn)生了較大的沉降量；采用普通套管連接的ST-5拱架與GS鋼架的曲線(xiàn)圖均未出現(xiàn)下凹段，說(shuō)明曲線(xiàn)的下凹是由于新型節(jié)點(diǎn)的可縮性導(dǎo)致的；與ST-1拱架相比，ST-5拱架直線(xiàn)段斜率較小，可見(jiàn)新型節(jié)點(diǎn)的抗變形能力較強(qiáng)；在相同荷載作用下，薄壁鋼管混凝土拱架ST-1~ST-3的拱頂沉降量明顯比GS鋼架的低。

1—ST-1；2—ST-2；3—ST-3；4—ST-4；5—ST-5；6—GS。

2.2.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)分別監(jiān)測(cè)了ST-1~ST-5拱架的外側(cè)、中軸線(xiàn)、內(nèi)側(cè)及節(jié)點(diǎn)處的切向應(yīng)變。

圖10所示為支架外側(cè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖10可見(jiàn)：各測(cè)點(diǎn)(ST-2中的2除外)的應(yīng)變曲線(xiàn)近似為直線(xiàn)，可見(jiàn)試驗(yàn)期間支架基本處于彈性工作階段。推測(cè)ST-2支架的鋼管存在一定缺陷或者產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中(內(nèi)部混凝土填充空隙引起)，使得最大彎角2處產(chǎn)生了正應(yīng)變。試件1處受拉，2(ST-2除外)和3處受壓，1處和3處外側(cè)最大應(yīng)變絕對(duì)值均小于200×10?6，2處外側(cè)最大應(yīng)變絕對(duì)值小于120×10?6。

(a) 拱頂C1處外側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(b) 最大彎角C2處外側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(c) 直墻段頂端S3處外側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

圖11所示為支架中軸線(xiàn)的切線(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖11可以發(fā)現(xiàn)：各測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)基本為直線(xiàn)，拱頂1處和直墻段2處均受壓，1處中軸線(xiàn)最大應(yīng)變絕對(duì)值小于100×10?6，2處中軸線(xiàn)最大應(yīng)變絕對(duì)值小于 200×10?6。

(a) 支架拱頂A1處中軸線(xiàn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(b) 直墻段A2處中軸線(xiàn)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

圖12所示為支架內(nèi)側(cè)的切線(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖12可見(jiàn)：各測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)斜率基本變化不大，試件處于彈性工作階段。1處最大應(yīng)變絕對(duì)值小于275×10?6，2處和1處最大應(yīng)變絕對(duì)值小于250×10?6，內(nèi)側(cè)各測(cè)點(diǎn)均受壓?？招匿摴芄凹躍T-4的斜率明顯小于其他實(shí)心鋼管混凝土拱架(ST-1~ST-3)，說(shuō)明鋼管內(nèi)部填充的混凝土能顯著提高支架剛度。支架內(nèi)側(cè)應(yīng)變曲線(xiàn)受節(jié)點(diǎn)形式及壁厚的影響較小。

圖13所示為支架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖13可見(jiàn)：ST-1~ST-4拱架采用新型插入式灌漿節(jié)點(diǎn)連接，其曲線(xiàn)大致可劃分為前期平緩段與后期增長(zhǎng)段，說(shuō)明新型節(jié)點(diǎn)在受荷前期表現(xiàn)出一定的柔性。ST-5拱架采用普通套管連接，則沒(méi)有明顯的前期平緩段，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)剛度較大。除節(jié)點(diǎn)1處受拉之外，其余節(jié)點(diǎn)處均受壓，1節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)變絕對(duì)值小于200×10?62~4節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)變絕對(duì)值小于250×10?6。

(a) 支架拱頂S1處內(nèi)側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(b) 最大彎角S2處內(nèi)側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(c) 直墻段頂端B1處內(nèi)側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

(a) 節(jié)點(diǎn)D1處應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(b) 節(jié)點(diǎn)D2處應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(c) 節(jié)點(diǎn)D3處應(yīng)變測(cè)試結(jié)果；(d) 節(jié)點(diǎn)D4處應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

2.2.2.5 內(nèi)、外邊緣應(yīng)變分布曲線(xiàn)

由于試件為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)只對(duì)試件左半邊的內(nèi)、外邊緣最大應(yīng)變分布曲線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖14與15所示。從圖中可以看出：5榀支架的內(nèi)邊緣均受壓，拱頂、節(jié)點(diǎn)以及柱腳附近壓應(yīng)變較大；除采用普通套管連接的拱架ST-5的最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在上部節(jié)點(diǎn)附近之外，其余ST-1~ST-4拱架的最大壓應(yīng)邊均出現(xiàn)在拱架頂部區(qū)域。試件的外邊緣由拱頂向柱腳方向逐漸由最大拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在下部節(jié)點(diǎn)附近。

3 數(shù)值計(jì)算與對(duì)比分析

3.1 薄壁鋼管混凝土支架的有限元模型

采用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)ST-1~ST-3薄壁鋼管混凝土試件進(jìn)行數(shù)值分析。鋼管單元采用具有8個(gè)結(jié)點(diǎn)的殼單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有5個(gè)自由度。鋼材彈性模量取206 GPa，泊松比為0.3?；炷劣?jì)算采用塑性損傷模型，單元采用具有20個(gè)結(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元, 每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度?；炷翉椥阅Ａ咳?其中，為混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度，泊松比為0.2)。采用摩擦模型定義混凝土與鋼管之間的接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.25。

由于試驗(yàn)支架為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故僅需建立1/2模型進(jìn)行計(jì)算分析，如圖16所示。將試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)的位移值取為模型荷載，隨后將有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

圖17所示為支架內(nèi)邊緣應(yīng)變有限元計(jì)算分布曲線(xiàn)，圖18所示為支架外邊緣應(yīng)變有限元計(jì)算分布曲線(xiàn)。支架最大應(yīng)變的試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比如表3所示。

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

(a) 隧道整體網(wǎng)格；(b) 襯砌與支護(hù)部分網(wǎng)格

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

數(shù)據(jù)為應(yīng)變，單位為10?6

表3 支架最大應(yīng)變有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

注：FEM為最大應(yīng)變有限元結(jié)果；T為最大應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果；拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)。

由表3可知：支架應(yīng)變的試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果較相符，具有相似的曲線(xiàn)分布形式。ST-1~ST-3薄壁鋼管混凝土拱架外邊緣各測(cè)點(diǎn)(柱角、直墻段頂、最大彎角處、拱頂)的平均誤差率分別為7.2%，5.5%，7.1%和6.4%，內(nèi)邊緣各測(cè)點(diǎn)(柱角、直墻段頂、最大彎角處、拱頂)的平均誤差率分別為6.1%，6.2%，3.0%和6.0%，拱架各測(cè)點(diǎn)最大誤差率為10.2%。對(duì)比分析結(jié)果表明：本文所選取的有限元模型及參數(shù)較合理，可用于對(duì)類(lèi)似的鋼管混凝土支護(hù)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

4 結(jié)論

1) 試驗(yàn)期間所有試件均處于彈性工作階段。

2) 薄壁鋼管混凝土拱架可有效抵抗圍巖變形，與格柵鋼架相比，具有較強(qiáng)的剛度。

3) 隨著壁厚增加，薄壁鋼管混凝土拱架的抗變形能力增強(qiáng)；實(shí)心鋼管混凝土拱架的剛度明顯高于空心鋼管拱架的剛度。

4) 受荷前期，新型插入式灌漿節(jié)點(diǎn)具有一定的柔性，與普通套管相比，新型節(jié)點(diǎn)連接的支架具有更強(qiáng)的抗變形能力。

5) ST-1~ST-5拱架的內(nèi)邊緣均受壓，拱頂、節(jié)點(diǎn)以及柱腳附近壓應(yīng)變較大；試件的外邊緣由拱頂向柱腳方向逐漸由最大拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在下部節(jié)點(diǎn)附近。

6) 薄壁鋼管混凝土拱架內(nèi)、外邊緣應(yīng)變分布有限元計(jì)算結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，最大誤差率為10.2%，模型及參數(shù)選取合理，可用于對(duì)類(lèi)似支護(hù)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

[1] 臧德勝, 李安琴. 鋼管混凝土支架的工程應(yīng)用研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2001, 23(3): 342?344. ZANG Desheng, LI Anqin. Study on concrete-filled steel tube supports[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(3): 342?344.

[2] 蘇林王, 臧德勝. 鋼管混凝土支架構(gòu)件工作性能的模型試驗(yàn)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2005, 1(3): 397?400. SU Linwang, ZANG Desheng. Model experimental study on working performance of concrete-filled steel tube supports[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 1(3): 397?400.

[3] 谷拴成, 劉皓東. 鋼管混凝土拱架在地鐵隧道中的應(yīng)用研究[J]. 鐵道建筑, 2009(12): 56?59. GU Shuancheng, LIU Haodong. Study on application of concrete-filled steel tube frames in metro tunnel[J]. Railway Engineering, 2009(12): 56?59.

[4] 韓林海. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—理論與實(shí)踐[M]. 2版. 北京: 科學(xué)出版社, 2007: 21?22. HAN Linhai. Concrete filled steel tubular structures from theory to practice[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2007: 21?22.

[5] 高延法, 王波, 王軍, 等. 深井軟巖巷道鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)及應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(S1): 2604?2609. GAO Yanfa, WANG Bo, WANG Jun, et al. Test on structural property and application of concrete-filled steel tube support of deep mine and soft rock roadway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(S1): 2604?2609.

[6] 王琦, 李術(shù)才, 王漢鵬, 等. 可縮式鋼管混凝土支架力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)效益[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2011, 41(5): 103?107. WANG Qi, LI Shucai, WANG Hanpeng, et al. Mechanical property and economic effect of contractible concrete filled steel tube support[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2011, 41(5): 103?107.

[7] 李為騰, 王琦, 王德超, 等. 礦用U 型約束混凝土拱架軸壓短柱試驗(yàn)研究及應(yīng)用[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2014, 31(1): 1?9. LI Weiteng, WANG Qi, WANG Dechao, et al. Experimental study on short columns under axial load of U-type confined concrete arch centering and its application in mine[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2014, 31(1): 1?9.

[8] 王琦, 李為騰, 李術(shù)才, 等. 深部巷道U 型約束混凝土拱架力學(xué)性能及支護(hù)體系現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 46(6): 2250?2260. WANG Qi, LI Weiteng, LI Shucai, et al. Field test study on mechanical properties of U-type confined concrete arch centering and support system in deep roadway[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(6): 2250?2260.

[9] 王琦, 邵行, 李術(shù)才, 等. 方鋼約束混凝土拱架力學(xué)性能及破壞機(jī)制[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2015, 40(4): 922?930. WANG Qi, SHAO Xing, LI Shucai, et al. Mechanical properties and failure mechanism of square type confined concrete arch centering[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(4): 922?930.

[10] JIANG Aoyu, CHEN Ju, JIN Weiliang. Experimental investigation and design of thin-walled concrete-filled steel tubes subject to bending[J]. Thin-Walled Structures, 2013, 63: 44?50.

[11] UY B. Strength of concrete filled steel box columns incorporating local buckling[J]. Journal of Structural Engineering, 2000, 126(3): 341?352.

[12] TAO Zhong, HAN Linhai, WANG Dongye. Strength and ductility of stiffened thin-walled hollow steel structural stub columns filled with concrete[J]. Thin-Walled Structures, 2008, 46(10): 1113?1128.

[13] CECS 254: 2009, 空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. CECS 254: 2009, Technical specification of hollow concrete- filled steel tubular structures[S].

[14] CECS 28:2012, 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. CECS 28:2012, Technical specification for concrete-filled steel tubular structures[S].

[15] 王震, 蔣首超, 張潔. 預(yù)應(yīng)力灌漿套管連接的結(jié)構(gòu)性能研究[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展, 2010(6): 11?18. WANG Zhen, JIANG Shouchao, ZHANG Jie. Structural performance of prestressed grouted pile-to-sleeve connection[J]. Progress in Steel Building Structures, 2010(6): 11?18.

[16] 林鈞岫, 王文華, 王小旭. 光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 44(6): 931?936. LIN Junxiu, WANG Wenhua, WANG Xiaoxu. Study of application and evolution of fiber grating sensors technique[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2004, 44(6): 931?936.

(編輯 陳愛(ài)華)

Experimental study on mechanical behavior of concrete-filled thin-walled steel tube supported in tunnel

HOU Hetao1, MA Su1, WANG Qi2, JIN Yanjun3, ZHU Wencan1, CHEN Lei1

(1. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;3. Department of Building Engineering, Mianyang Vocational and Technical College, Mianyang 621000, China)

Five concrete-filled thin-walled steel tubes (CTST) and one steel grid were designed as supports, and they were tested in a cable tunnel in Jinan. Test parameters included thickness of steel tube, connection type of steel tube and concrete-filled in steel tube or not. In addition, the CTST mechanical behaviors were compared with that of the steel grid. The results show that in a short period of time, the CTST support can ensure the stability of surrounding rock and its resistance is superior to the traditional steel grid. With the increase of deformation of the rock and soil in the tunnel, the CTST supports with the new connection have good compression resistance. The absolute strain values of vault, connections and tube foot are larger. The finite element (FE) analysis by ABAQUS program is conducted, the analysis results agree well with the test results.The FE model and parameters are proved to be reliable. It can be applied in the engineering projects.

concrete-filled thin-walled steel tube; support used in tunnel; cementitious grouted sleeve connection; finite element analysis

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.026

TU94+2

A

1672?7207(2017)05?1316?10

2016?06?29；

2016?08?15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51674154，51474095)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEM07)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M590150，2016M602144) (Projects(51674154, 51474095) supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(ZR2016EEM07) supported by the National Natural Science Foundation of Shandong Province; Projects(2016M590150, 2016M602144) supported by China Postdoctoral Science Foundation)

王琦，博士(后)，副教授，從事巖土工程方向的研究；E-mail: wangqi@sdu.edu.cn