CN104820022B - 一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法与检测结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法与检测结构。方法部分主要包括以下步骤：先完成工程主体施工，然后在钢管混凝土拱架外部的钢管上粘贴应变片，测得拱架外部的钢管在围岩压力下的应变值。再通过声发射检测技术，确定钢管内部混凝土的损伤量。计算钢管混凝土的钢混耦合系数，对比钢管和混凝土的损伤情况，综合分析钢管混凝土拱架的钢混耦合性能。本发明所提供的评价方法简便易行，通过计算钢管混凝土拱架的钢混耦合系数Kf，可以直观地评价钢管混凝土拱架的钢混耦合性能。

Description

一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法与检测结构

技术领域

本发明涉及地下工程领域，具体的说，是涉及一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法与检测结构。

背景技术

随着煤炭开采向千米深部发展，受深部、高应力、复杂地质构造等特殊条件的影响，巷道支护用U型钢支架由于强度不够，常常出现屈服、断裂的现象，导致巷道大变形、破坏、冒顶等现象十分常见。

钢管混凝土拱架这种新结构形式的出现，使钢材的抗弯能力和混凝土的抗压能力充分发挥，较好地解决了地下硐室工程支护体系所要求的用省料、安装重量轻、施工简单、承载能力大等诸多问题。

钢管混凝土拱架由于其特殊的结构组成和施工工艺，在实际工程中很难避免缺陷，进而在不同程度上削弱构建的整体性和力学性能，这将直接影响到钢管混凝土拱架的安全性和可靠性。

目前，约束混凝土技术在地下工程中的应用还处于起步阶段，尤其是关于钢管混凝土的钢混耦合性能以及其影响因素的研究较少。

因此，如何设计一种方法与检测结构，能够检测钢管混凝土拱架钢混耦合性能，并能够评价工程质量，避免灾难性事故的发生，对提高以后工程的质量有着重大的意义。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法与检测结构。本发明所提供的检测及其评价方法，能够检测出拱架内部核心混凝土损伤演化情况，并能够评价钢管混凝土拱架钢混耦合性能。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，包括如下步骤：

步骤一：开挖隧道，锚喷施工，完成钢管混凝土拱架安装；

步骤二：对拱架外部钢管的变形数值进行监测，得到一定时间变形稳定后钢管混凝土拱架外部钢管应变值εx，绘制钢管混凝土拱架外部钢管在受围岩压力应变过程的“应变值-时间”曲线图；

步骤三：接收钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤产生的声发射信号；

步骤四：将步骤三中接收的钢管混凝土内部核心混凝土损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到能量、振铃计数、持续时间和幅值特征参数；

步骤五：选用步骤四中提取出的振铃计数和累计振铃计数对钢管混凝土拱架内部核心混凝土的损伤特性进行描述，归一化得损伤量，得到一定时间变形稳定后钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤量δx,并绘制钢管混凝土拱架核心混凝土损伤演化过程的“损伤量-时间”曲线图，根据钢管混凝土拱架内部混凝土损伤演化曲线划分分段损伤曲线；

步骤六：综合分析上述步骤所得结果，对比钢管混凝土拱架钢管的损伤情况和钢管混凝土内部填充的核心混凝土损伤情况，计算钢管混凝土拱架钢混耦合系数Kf，并评估钢管混凝土拱架的钢混耦合性能。

优选的，其特征在于，步骤二中，在钢管混凝土拱架上设置应变片，并安装位移传感器，并完成应变片和位移传感器与应变装置的连线，通过应变片对拱架外部钢管的变形数值进行监测。

优选的，步骤二中所述的设置应变片的方法为：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，准确的在应变片粘贴位置粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜。

优选的，步骤二中所述的应变装置连线的方法为：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将应变片、位移传感器与动态电阻应变仪的桥盒连接。

优选的，步骤五中所述的分段损伤曲线包括：混凝土轻度损伤阶段、混凝土中度损伤阶段和混凝土严重损伤阶段。

优选的，计算的钢管混凝土拱架钢混耦合系数Kf作为评价钢管混凝土拱架钢混耦合性能的标准为

εx/εo＝(Kf+1)δx/δo；

上述公式中，

εx以测量得到的一定时间钢管混凝土拱架变形稳定后钢管混凝土拱架外部钢管应变值代入计算，

εo以同类型钢管达到屈服应变时钢管应变值代入计算，

δx以一定时间钢管混凝土拱架变形稳定后钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤量代入计算，

δo以同类型混凝土达到严重损伤时的损伤量代入计算；

优选的，当|Kf|的值越小，说明钢管混凝土拱架钢混耦合性能越好。

优选的，在步骤三中，将声发射传感器贴在安装好的钢管混凝土拱架上，并利用耦合剂使声发射传感器与钢管混凝土拱架接触良好；然后接收钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤产生的声发射信号。

优选的，步骤三中所述应变片分别设置于的左拱腿、右拱腿、左拱弦和右拱弦位置上。

同时，本发明还提供了一种钢管混凝土拱架钢混耦合性能检测结构，包括左拱腿，所述左拱腿依次与左拱弦、右拱弦和右拱腿相连接并填充混凝土构成钢混拱架，所述钢混拱架的左拱腿、右拱腿、左拱弦和右拱弦位置分别设置有应变片，任一应变片均与同一应变装置相连通。

本发明的有益效果是：整体简便易行，在工程实施的过程中易于实现，通过计算钢管混凝土的钢混耦合系数Kf，可以直观地评价钢管混凝土的钢混耦合性能，从而可以为同类型地下硐室工程提供施工经验，提高工程的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法与检测结构的流程示意图；

图2是本发明步骤三应变片在拱架上粘贴位置图。

其中：1、右拱腿，2、左拱腿，3、右拱弦，4、左拱弦，5、应变片。

具体实施方式

下面将结合附图对本方案进行详细说明。

实施例1：如图1和图2所示，一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，包括如下步骤：

步骤一：开挖隧道，采取措施封闭隧道掌子面，安装临时支护，然后挂设钢筋网、施打普通锚杆，并初喷混凝土，施打注浆锚杆与注浆锚索，并进行注浆，架设钢管混凝土拱架，并施打锁棚锚杆；施做底拱后，施打下一阶段超前支护，完成钢管混凝土拱架安装；

步骤二：在相邻钢管混凝土拱架对立侧面靠近洞内边缘处焊接有“L”形纵向梁连接基座，基座开孔为椭圆形，并与纵向梁连接处开孔保持一致，纵向梁与基座之间通过螺栓连接，挂设钢筋网并铺设高强韧性防渗漏膜后，补打纵向梁锚杆，并进行方刚约束混凝土拱架壁后填充，完成钢管混凝土拱架高强支护体系的安装；

步骤三：在钢管混凝土拱架的左拱腿、右拱腿、左拱弦和右拱弦位置分别设置应变片，并安装位移传感器，并完成应变片和位移传感器与应变装置的连线，通过应变片对拱架外部钢管的变形数值进行监测，得到一定时间变形稳定后钢管混凝土拱架外部钢管应变值εx，绘制钢管混凝土拱架外部钢管在受围岩压力应变过程的“应变值-时间”曲线图；

步骤四：将声发射传感器贴在安装好的钢管混凝土拱架上，并利用耦合剂使声发射传感器与钢管混凝土拱架接触良好；

步骤五：使声发射传感器接收钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤产生的声发射信号；

步骤六：将步骤五中接收的钢管混凝土内部核心混凝土损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到能量、振铃计数、持续时间和幅值(又称幅度)特征参数；

步骤七：选用步骤六中提取出的振铃计数和累计振铃计数对钢管混凝土拱架内部核心混凝土的损伤特性进行描述，归一化得损伤量，得到一定时间变形稳定后钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤量δx,并绘制钢管混凝土拱架核心混凝土损伤演化过程的“损伤量-时间”曲线图，根据钢管混凝土拱架内部混凝土损伤演化曲线划分分段损伤曲线；

步骤八：综合分析上述步骤所得结果，对比钢管混凝土拱架钢管的损伤情况和钢管混凝土内部填充的核心混凝土损伤情况，计算钢管混凝土拱架钢混耦合系数Kf，并评估钢管混凝土拱架的钢混耦合性能。

所述的纵向梁为箱型截面形状的钢梁。纵向梁上设置有锚杆孔，纵向梁锚杆通过锚杆孔穿过纵向梁再锚入到围岩中，钢管混凝土拱架与围岩之间设有壁后充填层，纵向梁锚杆将钢管混凝土拱架、壁后充填层与隧道围岩连接在一起。

步骤三中所述的设置应变片的方法为：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，准确的在应变片粘贴位置粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压1-2分钟，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜。

步骤三中所述的应变装置连线的方法为：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将应变片、位移传感器与动态电阻应变仪的桥盒连接。

步骤七中所述的分段损伤曲线包括：混凝土轻度损伤阶段、混凝土中度损伤阶段和混凝土严重损伤阶段。

计算的钢管混凝土拱架钢混耦合系数Kf作为评价钢管混凝土拱架钢混耦合性能的标准为：

εx/εo＝(Kf+1)δx/δo；

上述公式中，

εx以测量得到的一定时间钢管混凝土拱架变形稳定后钢管混凝土拱架外部钢管应变值代入计算，

εo以同类型钢管达到屈服应变时钢管应变值代入计算，

δx以一定时间钢管混凝土拱架变形稳定后钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤量代入计算，

δo以同类型混凝土达到严重损伤时的损伤量代入计算；

当|Kf|的值越小，说明钢管混凝土拱架钢混耦合性能越好。

在步骤四中，所述耦合剂为凡士林。

采用了上述方法后，过计算钢管混凝土的钢混耦合系数Kf，直观地评价钢管混凝土的钢混耦合性能，从而可以为同类型地下硐室工程提供施工经验，监测施工过程中钢管混凝土拱架的各项指标，防止灾难性事故的突然发生。

提供上述方法的同时，本发明还提供了一种钢管混凝土拱架钢混耦合性能检测结构，该结构包括左拱腿2，所述左拱腿2依次与左拱弦4、右拱弦3和右拱腿1相连接并填充混凝土构成钢混拱架，所述钢混拱架的左拱腿2、右拱腿1、左拱弦4和右拱弦3位置分别设置有应变片5，任一应变片5均与同一应变装置相连通。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：开挖隧道，锚喷施工，完成钢管混凝土拱架安装；

步骤二：对拱架外部钢管的变形数值进行监测，得到一定时间变形稳定后钢管混凝土拱架外部钢管应变值εx，绘制钢管混凝土拱架外部钢管在受围岩压力应变过程的“应变值-时间”曲线图；

步骤三：接收钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤产生的声发射信号；

步骤四：将步骤三中接收的钢管混凝土内部核心混凝土损伤产生的声发射信号进行参数提取，得到能量、振铃计数、持续时间和幅值特征参数；

步骤五：选用步骤四中提取出的振铃计数和累计振铃计数对钢管混凝土拱架内部核心混凝土的损伤特性进行描述，归一化得损伤量，得到一定时间变形稳定后钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤量δx,并绘制钢管混凝土拱架核心混凝土损伤演化过程的“损伤量-时间”曲线图，根据钢管混凝土拱架内部混凝土损伤演化曲线划分分段损伤曲线；

步骤六：综合分析上述步骤所得结果，对比钢管混凝土拱架钢管的损伤情况和钢管混凝土内部填充的核心混凝土损伤情况，计算钢管混凝土拱架钢混耦合系数Kf，并评估钢管混凝土拱架的钢混耦合性能。

2.根据权利要求1所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，步骤二中，在钢管混凝土拱架上设置应变片，并安装位移传感器，并完成应变片和位移传感器与应变装置的连线，通过应变片对拱架外部钢管的变形数值进行监测。

3.根据权利要求2所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，步骤二中所述的设置应变片的方法为：在应变片的背面滴上速干胶，并将胶刮平，准确的在应变片粘贴位置粘上正面应变片和反面应变片，在应变片上盖一层聚乙烯薄膜，沿应变片轴线方向用手指滚压，排净气泡并挤出多余的速干胶，待速干胶自然干燥后，揭掉聚乙烯薄膜。

4.根据权利要求2所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，步骤二中所述的应变装置连线的方法为：将应变片的引线焊到接线端子的一端，把数据连接线焊到接线端子的另一端，连接好端子后，对应变片进行电阻测试，确保测试的阻值与应变片的标定阻值一样，并在应变片上涂抹绝缘胶作为防护；然后将应变片、位移传感器与动态电阻应变仪的桥盒连接。

5.根据权利要求1或2所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，步骤五中所述的分段损伤曲线包括：混凝土轻度损伤阶段、混凝土中度损伤阶段和混凝土严重损伤阶段。

6.根据权利要求1或2所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，计算的钢管混凝土拱架钢混耦合系数Kf作为评价钢管混凝土拱架钢混耦合性能的标准为

εx/εo＝(Kf+1)δx/δo；

上述公式中，

εx以测量得到的一定时间钢管混凝土拱架变形稳定后钢管混凝土拱架外部钢管应变值代入计算，

εo以同类型钢管达到屈服应变时钢管应变值代入计算，

δx以一定时间钢管混凝土拱架变形稳定后钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤量代入计算，

δo以同类型混凝土达到严重损伤时的损伤量代入计算。

7.根据权利要求1或2所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，当|Kf|的值越小，说明钢管混凝土拱架钢混耦合性能越好。

8.根据权利要求1或2所述的钢管混凝土拱架耦合性能检测及评价方法，其特征在于，在步骤三中，将声发射传感器贴在安装好的钢管混凝土拱架上，并利用耦合剂使声发射传感器与钢管混凝土拱架接触良好；然后接收钢管混凝土拱架内部核心混凝土损伤产生的声发射信号。