CN112879049B - 拱架让压耗能节点连接结构、拱架及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种拱架让压耗能节点连接结构、包括该让压耗能节点连接结构的拱架及该让压耗能节点连接结构的施工方法，涉及钢管混凝土拱架节点连接技术领域，该拱架让压耗能节点设置有第一让压耗能组件和两个第二让压耗能组件，采用先让后抗，先柔后刚的支护理念，通过第一让压耗能组件和两个第二让压耗能组件的协同变形，能够实现钢管混凝土拱架节点的让压耗能，释放围岩能量，适应围岩变形，发挥围岩自承载能力，减少支护体破坏，优化支架受力。

Description

拱架让压耗能节点连接结构、拱架及施工方法

技术领域

本发明涉及钢管混凝土拱架节点连接技术领域，特别是涉及一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构、包括该拱架让压耗能节点连接结构的装配式中空夹层钢管混凝土拱架及该拱架让压耗能节点连接结构的施工方法。

背景技术

随着我国浅部资源的减少，煤矿开采的深度逐渐增加，传统的砌碹支护、型钢支护以及锚网喷支护等已不能满足深层高地应力复杂岩体的支护要求，钢管混凝土拱架充分发挥了钢材与混凝土两种材料的优势，具有高强高刚等特性，在深部岩体巷道支护中得到广泛应用，并取得了良好的支护效果。

钢管混凝土拱架虽然具有高强高刚的特性，但深部高应力软岩巷道具有不可控的变形，现有钢管混凝土拱架无法实现让压支护，不具有适应围岩变形的能力，拱架初期便承受较大围岩应力易产生破坏，无法发挥围岩的自承载特性。因此，如何实现钢管混凝土拱架节点的让压耗能，释放围岩能量，适应围岩变形，发挥围岩自承载能力，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构、包括该拱架让压耗能节点连接结构的装配式中空夹层钢管混凝土拱架及该拱架让压耗能节点连接结构的施工方法，以实现钢管混凝土拱架节点的让压耗能，释放围岩能量，发挥围岩自承载能力减少支护体破坏，优化支架受力，实现先让后抗，先柔后刚的支护理念。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，装配式中空夹层钢管混凝土拱架包括同轴并沿轴线方向依次设置的多个弧段，各所述弧段均包括内外同轴嵌套设置的内钢管和外钢管，且所述内钢管和所述外钢管之间形成有环形中空夹层，所述环形中空夹层内填充有混凝土，任意相邻两个所述弧段均通过所述装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构连接，所述装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构包括：第一让压耗能组件，所述第一让压耗能组件包括外套管、中间弹性体和两个承压块，任意相邻的两个弧段二者相对的两端的外钢管分别嵌套于所述外套管的两端内，所述中间弹性体设置于所述外套管内，两个所述承压块对称设置于所述中间弹性体的两端，且各所述承压块靠近所述中间弹性体的一端均与所述中间弹性体相抵，各所述承压块远离所述中间弹性体的一端均嵌套于各自对应的所述弧段的所述内钢管内，所述中间弹性体处于压缩状态时，所述中间弹性体外侧壁与所述外套管的内侧壁产生摩擦；两个第二让压耗能组件，两个所述第二让压耗能组件分别设置于两个所述弧段的所述内钢管内，各所述第二让压耗能组件均包括沿所述弧段的轴线方向依次设置的固定端板、弹性件以及活动端板，所述固定端板固定设置于所述内钢管内，所述活动端板可滑动地设置于所述内钢管内，所述弹性件的一端与所述固定端板相抵、所述弹性件的另一端与所述活动端板相抵，且两个所述活动端板与两个所述承压块二者一一对应、并相抵，所述弹性件处于压缩状态时，所述弹性件的外侧壁与所述内钢管的内侧壁产生摩擦。

优选地，所述活动端板的外侧壁与所述弧段的所述内钢管的内侧壁相贴合，所述承压块的外侧壁与所述外套管的内侧壁相贴合，所述中间弹性体处于自然状态时，所述中间弹性体的外侧壁与所述外套管的内侧壁相贴合，所述弹性件处于自然状态时，所述弹性件的外侧壁与所述弧段的所述内钢管的内侧壁相贴合。

优选地，所述承压块包括承压板和顶块，所述承压板的外侧壁与所述外套管的内侧壁相贴合，所述承压板的一端与所述中间弹性体的一端相抵，所述顶块设置于所述承压板的另一端，且所述顶块的外侧壁与所述弧段的所述内钢管的内侧壁相贴合，所述顶块嵌套于所述弧段的所述内钢管内。

优选地，所述外钢管与所述外套管之间形成有用于排除所述外套管内部空气的环形间隙。

优选地，所述固定端板与所述弧段的所述内钢管的内侧壁焊接连接。

优选地，所述内钢管和所述外钢管垂直于各自自身轴线方向的截面均为圆环形，所述固定端板以及所述活动端板垂直于各自自身轴线方向的截面均为圆形。

本发明还提供一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架，包括所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构以及同轴并沿轴线方向依次设置的多个所述弧段，任意相邻两个所述弧段均通过所述装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构连接。

本发明还提供一种所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构的施工方法，包括以下步骤：在其中一个所述弧段的所述内钢管内设置所述第二让压耗能组件，将所述固定端板固定于所述内钢管内，之后在所述内钢管内依次置入所述弹性件和所述活动端板；安装所述第一让压耗能组件，将所述中间弹性体与其两端的所述承压块固定连接，将安装有所述第二让压耗能组件的所述弧段对应的所述承压块的一端嵌入到该所述弧段的所述内钢管内、并使所述承压块与设置于该所述弧段内的所述活动端板相抵，之后将所述外套管的一端套设于安装有所述第二让压耗能组件的所述弧段的所述外钢管的外部，并将所述中间弹性体及两个所述承压块嵌入所述外套管内一段距离；在另外一个所述弧段的所述内钢管内设置所述第二让压耗能组件、并将所述外套管的另一端套设于另一个所述弧段的所述外钢管外部，且使两个所述弧段关于所述外套管的中间截面对称，同时使另外一个所述活动端板与另外一个所述承压块相抵。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

现有钢管混凝土拱架均为刚性支护，本发明提供的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构设置有第一让压耗能组件和两个第二让压耗能组件，第一让压耗能组件包括外套管、中间弹性体和两个承压块，任意相邻的两个弧段二者相对的两端的外钢管分别嵌套于外套管的两端内，中间弹性体设置于外套管内，两个承压块对称设置于中间弹性体的两端，且各承压块靠近中间弹性体的一端均与中间弹性体相抵，各承压块远离中间弹性体的一端均嵌套于各自对应的弧段的内钢管内；两个第二让压耗能组件分别设置于两个弧段的内钢管内，各第二让压耗能组件均包括沿弧段的轴线方向依次设置的固定端板、弹性件以及活动端板，固定端板固定设置于内钢管内，活动端板可滑动地设置于内钢管内，弹性件的一端与固定端板相抵、弹性件的另一端与活动端板相抵，且两个活动端板与两个承压块二者一一对应、并相抵。具体使用过程中，外力作用下，活动端板会沿着内钢管的轴线压缩弹性体进行让压，弹性体在被压缩过程中径向产生膨胀并与内钢管内侧壁产生摩擦进行耗能，同时两个承压块受力后，沿外套管的轴线向内挤压中间弹性体进行让压，中间弹性体轴向被压缩过程中其径向产生膨胀并与外套管内侧壁产生摩擦进行耗能，如此，该装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构采用先让后抗，先柔后刚的支护理念，通过第一让压耗能组件和两个第二让压耗能组件的协同变形，能够实现钢管混凝土拱架节点的让压耗能，释放围岩能量，适应围岩变形，发挥围岩自承载能力，减少支护体破坏，优化支架受力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点剖面示意图；

图2为本发明实施例中提供的弧段结构与第二让压耗能组件的配合方式示意图；

图3为图2的剖视图；

图4为本发明实施例中提供的中间弹性体和两个承压块的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点施工方法示意图；

附图标记说明：1、弧段；101、外钢管；102、内钢管；103、环形中空夹层；2、固定端板；3、弹性件；4、活动端板；5、中间弹性体；6、承压块；601、承压板；602、顶块；7、外套管；8、环形间隙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够实现让压耗能支护，发挥围岩自承载能力的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构、包括该拱架让压耗能节点连接结构的装配式中空夹层钢管混凝土拱架及该拱架让压耗能节点连接结构的施工方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-图4所示，本实施例提供一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，装配式中空夹层钢管混凝土拱架包括同轴并沿轴线方向依次设置的多个弧段1，各弧段1均包括内外同轴嵌套设置的内钢管102和外钢管101，且内钢管102和外钢管101之间形成有环形中空夹层103，环形中空夹层103内填充有混凝土，任意相邻两个弧段1均通过装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构连接，装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构包括：第一让压耗能组件，第一让压耗能组件包括外套管7、中间弹性体5和两个承压块6，任意相邻的两个弧段1二者相对的两端的外钢管101分别嵌套于外套管7的两端内，中间弹性体5设置于外套管7内，两个承压块6对称设置于中间弹性体5的两端，且各承压块6靠近中间弹性体5的一端均与中间弹性体5相抵，各承压块6远离中间弹性体5的一端均嵌套于各自对应的弧段1的内钢管102内，中间弹性体5处于压缩状态时，中间弹性体5外侧壁与外套管7的内侧壁产生摩擦；两个第二让压耗能组件，两个第二让压耗能组件分别设置于两个弧段1的内钢管102内，各第二让压耗能组件均包括沿弧段1的轴线方向依次设置的固定端板2、弹性件3以及活动端板4，固定端板2固定设置于内钢管102内，活动端板4可滑动地设置于内钢管102内，弹性件3的一端与固定端板2相抵、弹性件3的另一端与活动端板4相抵，且两个活动端板4与两个承压块6二者一一对应、并相抵，弹性件3处于压缩状态时，弹性件3的外侧壁与内钢管102的内侧壁产生摩擦。

具体使用过程中，外力作用下，活动端板4会沿着内钢管102的轴线压缩弹性件3进行让压，弹性件3在被压缩过程中径向产生膨胀并与内钢管102内侧壁产生摩擦进行耗能，同时两个承压块6受力后，沿外套管7的轴线向内挤压中间弹性体5进行让压，中间弹性体5轴向被压缩过程中其径向产生膨胀并与外套管7内侧壁产生摩擦进行耗能，该装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构采用先让后抗(先让压后抵抗外力作用，例如摩擦抵抗外力，刚性支护抵抗外力)，先柔后刚(先柔性支护后刚性支护)的支护理念，通过第一让压耗能组件和两个第二让压耗能组件的协同变形，能够实现钢管混凝土拱架节点的让压耗能，释放围岩能量，适应围岩变形，发挥围岩自承载能力，减少支护体破坏，优化支架受力。

于本实施例中，具体地，弹性件3的一端与固定端板2相连，另一端与活动端板4相连。

于本实施例中，两个承压块6、中间弹性体5以及外套管7的内侧壁构成第一让压耗能结构；固定端板2、弹性件3、活动端板4以及内钢管102的内侧壁构成第二让压耗能结构；第一让压耗能结构通过中间弹性体5两端的两个承压块6分别与两个第二让压耗能结构进行协同让压耗能，第一让压耗能结构以及两个第二让压耗能结构让压耗能之和为装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点的让压耗能总量。

装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点支护初期通过第一让压耗能结构以及两个第二让压耗能结构实现柔性让压支护，释放围岩能量，发挥围岩自承载能力，使拱架适应围岩变形，弹性件3和中间弹性体5达到极限压缩量时，中间弹性体5两端承压块6的顶块602分别完全嵌入两个弧段1的内钢管102内，此时两个弧段1二者相对的两个端面分别与两个承压板601相抵，实现装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点后期抵抗围岩进一步变形的刚性支护。

于本实施例中，具体地，弹性件3和中间弹性体5均为由弹性材料制成的块状结构，且受压后，弹性件3和中间弹性体5径向尺寸均变大，弹性件3和中间弹性体5具体采用何种弹性材料以及如何使弹性件3和中间弹性体5受压后径向尺寸变大均属于现有技术，且不是本发明保护的重点，在此不再赘述。

于本实施例中，活动端板4的外侧壁与弧段1的内钢管102的内侧壁相贴合，承压块6的外侧壁与外套管7的内侧壁相贴合，中间弹性体5处于自然状态时，中间弹性体5的外侧壁与外套管7的内侧壁相贴合，弹性件3处于自然状态时，弹性件3的外侧壁与弧段1的内钢管102的内侧壁相贴合。

于本实施例中，如图4所示，承压块6包括承压板601和顶块602，承压板601的外侧壁与外套管7的内侧壁相贴合，承压板601的一端与中间弹性体5的一端相抵，顶块602设置于承压板601的另一端，且顶块602的外侧壁与弧段1的内钢管102的内侧壁相贴合，顶块602嵌套于弧段1的内钢管102内。

于本实施例中，外钢管101与外套管7之间形成有用于排除外套管7内部空气的环形间隙8。如此，能够方便的将外套管7内部空气排出。需要说明的是环形间隙8只要能够排出空气即可，径向尺寸不宜过大，以防止外钢管101和外套管7二者相对滑动。

于本实施例中，固定端板2与弧段1的内钢管102的内侧壁焊接连接。

于本实施例中，内钢管102和外钢管101垂直于各自自身轴线方向的截面均为圆环形，固定端板2以及活动端板4垂直于各自自身轴线方向的截面均为圆形。需要说明的是内钢管102和外钢管101的截面形状并不仅限于圆环形，视具体情况而定即可，除本实施例中的圆套圆(圆环形)外，还可选为方套方、方套圆、圆套方等。另外，根据外钢管101的截面形式选择外套管7的截面形式，根据内钢管102的截面形式选择第一让压耗能组件和第二让压耗能组件对应部件(与内钢管102的内侧壁有配合关系的部件)的截面形式。

本实施例还提供一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架，包括装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构以及同轴并沿轴线方向依次设置的多个弧段1，任意相邻两个弧段1均通过装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构连接。

如图5所示，本实施例提供的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构的施工方法，包括以下步骤：

在其中一个弧段1的内钢管102内设置第二让压耗能组件，将固定端板2固定于内钢管102内，之后在内钢管102内依次置入弹性件3和活动端板4；

安装第一让压耗能组件，将中间弹性体5与其两端的承压块6固定连接，将安装有第二让压耗能组件的弧段1对应的承压块6的一端嵌入到该弧段1的内钢管102内、并使承压块6与设置于该弧段1内的活动端板4相抵，之后将外套管7的一端套设于安装有第二让压耗能组件的弧段1的外钢管101的外部，并将中间弹性体5及两个承压块6嵌入外套管7内部一段距离；

在另外一个弧段1的内钢管102内设置第二让压耗能组件、并将外套管7的另一端套设于另一个弧段1的外钢管101外部，且使两个弧段1关于外套管7的中间截面对称，同时使另外一个活动端板4与另外一个承压块6相抵。

在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，其特征在于，装配式中空夹层钢管混凝土拱架包括同轴并沿轴线方向依次设置的多个弧段，各所述弧段均包括内外同轴嵌套设置的内钢管和外钢管，且所述内钢管和所述外钢管之间形成有环形中空夹层，所述环形中空夹层内填充有混凝土，任意相邻两个所述弧段均通过所述装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构连接，所述装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构包括：

第一让压耗能组件，所述第一让压耗能组件包括外套管、中间弹性体和两个承压块，任意相邻的两个弧段二者相对的两端的外钢管分别嵌套于所述外套管的两端内，所述中间弹性体设置于所述外套管内，两个所述承压块对称设置于所述中间弹性体的两端，且各所述承压块靠近所述中间弹性体的一端均与所述中间弹性体相抵，各所述承压块远离所述中间弹性体的一端均嵌套于各自对应的所述弧段的所述内钢管内，所述中间弹性体处于压缩状态时，所述中间弹性体外侧壁与所述外套管的内侧壁产生摩擦；

两个第二让压耗能组件，两个所述第二让压耗能组件分别设置于两个所述弧段的所述内钢管内，各所述第二让压耗能组件均包括沿所述弧段的轴线方向依次设置的固定端板、弹性件以及活动端板，所述固定端板固定设置于所述内钢管内，所述活动端板可滑动地设置于所述内钢管内，所述弹性件的一端与所述固定端板相抵、所述弹性件的另一端与所述活动端板相抵，且两个所述活动端板与两个所述承压块二者一一对应、并相抵，所述弹性件处于压缩状态时，所述弹性件的外侧壁与所述内钢管的内侧壁产生摩擦。

2.根据权利要求1所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，其特征在于，所述活动端板的外侧壁与所述弧段的所述内钢管的内侧壁相贴合，所述承压块的外侧壁与所述外套管的内侧壁相贴合，所述中间弹性体处于自然状态时，所述中间弹性体的外侧壁与所述外套管的内侧壁相贴合，所述弹性件处于自然状态时，所述弹性件的外侧壁与所述弧段的所述内钢管的内侧壁相贴合。

3.根据权利要求2所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，其特征在于，所述承压块包括承压板和顶块，所述承压板的外侧壁与所述外套管的内侧壁相贴合，所述承压板的一端与所述中间弹性体的一端相抵，所述顶块设置于所述承压板的另一端，且所述顶块的外侧壁与所述弧段的所述内钢管的内侧壁相贴合，所述顶块嵌套于所述弧段的所述内钢管内。

4.根据权利要求1所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，其特征在于，所述外钢管与所述外套管之间形成有用于排除所述外套管内部空气的环形间隙。

5.根据权利要求1所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，其特征在于，所述固定端板与所述弧段的所述内钢管的内侧壁焊接连接。

6.根据权利要求1所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构，其特征在于，所述内钢管和所述外钢管垂直于各自自身轴线方向的截面均为圆环形，所述固定端板以及所述活动端板垂直于各自自身轴线方向的截面均为圆形。

7.一种装配式中空夹层钢管混凝土拱架，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构以及同轴并沿轴线方向依次设置的多个所述弧段，任意相邻两个所述弧段均通过所述装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构连接。

8.一种如权利要求1-6任一项所述的装配式中空夹层钢管混凝土拱架让压耗能节点连接结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

在其中一个所述弧段的所述内钢管内设置所述第二让压耗能组件，将所述固定端板固定于所述内钢管内，之后在所述内钢管内依次置入所述弹性件和所述活动端板；

安装所述第一让压耗能组件，将所述中间弹性体与其两端的所述承压块固定连接，将安装有所述第二让压耗能组件的所述弧段对应的所述承压块的一端嵌入到该所述弧段的所述内钢管内、并使所述承压块与设置于该所述弧段内的所述活动端板相抵，之后将所述外套管的一端套设于安装有所述第二让压耗能组件的所述弧段的所述外钢管的外部，并将所述中间弹性体及两个所述承压块嵌入所述外套管内一段距离；

在另外一个所述弧段的所述内钢管内设置所述第二让压耗能组件、并将所述外套管的另一端套设于另一个所述弧段的所述外钢管外部，且使两个所述弧段关于所述外套管的中间截面对称，同时使另外一个所述活动端板与另外一个所述承压块相抵。

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