井壁极限载荷的分析(论文),极限载荷,弹簧的工作极限载荷,极限拉伸载荷

上传时间:2012-03-10 来源:链条极限拉伸载荷

中国硕士学位论文全文数据库 前10条1于群; 钢—高强混凝土组合梁非线性分析 [D];山... 中国期刊全文数据库 前10条1任彦龙;杨维好;韩涛;; 基于不同强度准则的井壁极限承...

维普资讯 http:// 井壁极限载荷的分析  薯   辉  井壁是保证井筒安全的必要条件,其玎嚣性决定着矿井生产的安全稳定程度。无论是采  用钻井法或冻结法等特殊方法施工的,还是采 普通方法施工的井筒,其永久支护多采用混  凝土或钢筋混凝土。近年来还出现了钢板混凌主复合井壁。以往设计井壁时沿用基于弹性分  析的拉麦公式,采用 “ 允许应力法”设计,致使井壁要么过厚不利施工,要么配筋过多 。

不经   济。

其实,井壁作为一特殊的钢筋混凝土互翟籀筑物,   理应按照钢筋混凝土的极限设计法进  行设计。但是, 目 前尚无一确切的公式计算井壁的极限荷载,以真实地确定其安全度。下面  将首先根据弹塑性理论,考虑材料的塑性,且理论上分析各种井壁的极限荷载,接着与试验  实测值进行对比。

  一 、 基 本  假 ’ ●   设  ,   为了对并壁进行极限分析,现作如下爱定。

  ’   1 . 将混凝土视为均质体,这样,无论j   糟处于弹性阶段还是塑性阶段,平衡方程 总是  成立的   ,   .   .   警+   式中   ——井壁径向应力   — — ~ ,   (1)   井壁切向应力,   — — 井壁曲率半径。

  : ̄ t g c #+C   2 . 混疑土是脆性材料,故采用C o u :

  mb — Mo h r 屈服条件  (2)   式中   ——滑动面上的正应力;   — — 滑动面上的剪应力;   内摩擦角;   粘着力。

  二、基本公式的推导  — — 根据假设2 ,强 度曲线具有  = o '  ̄ :

g O o + C   的形状,由图 1 得  n  =   : 器  ‘ :

P Q:

( o - e — o   t ) / 2   图 ;   R Q=   +   +C? c t g , p   3 0   维普资讯 http:// G  n— e  t   s i n ∞=   ! =   !_ 一   2   十C? c t g c p   经整理得  a = 1 而 + s i n 9   令  D=  C O S   经推算可得  1 ~s i 矗  ’   2 C- c o s 9  .  — — 1 一s i n 9   ( 3 a )   D =t g ( 4 5 。

  ,   )   及  ±   垒至:D 。

  1一S j n   于是式 ( 3 a )变成   将式( 3 b ) 代入式( 1 ) 得  。

=0  D2 c ' — 2 C? D  2 C D ( 3 b )    ̄ — - , - :

0   r   整理得  d  。

  d r   一 ( D 一I )   十2 CD  r   两边 积分 得  I n [ c  ̄   ( D。

一1 ) 十2 十 c C  j :

=  D  一】 )   I n r +B   (4)   式中B 为积分待定常数。

  三、素混凝±著薹冀极限荷载计算  将边界条 件  I   =0 代入式( 4 ) 得   I   r 。

a  B=l n ( 2 C D) 一  D  一1 ) l n a   上式代入( 4 ) ,经整理得  器 [ ( ÷)  《 ( 5 )   为了进一步揭示式( 5 ) 中各项的含意,现 劳 壁 材   料单轴抗压强度(  。

) 、抗拉强度(   ) 作为强度   线的   依据来加以说明 ( 图2 )。

  。

. . ARP Q ~△RO M  . ‘   . -  R M O=  P Q R 从而/N 3 1 0=   OM , 2 O   这样 直角△M O N ~直角△Q O X   .  — O   ”   于是  一 丽   OM  =( )  ? O N   图2   维普资讯 http:// 或   :

.   c=√ 。

? at f 2   c   = 每?   过N 作平行于P R的直线交P Q 于S , 则在△  S Q中得  .  s i n  =   S Q 2   =   2 =   2   ‘   2   N s :

√ c 鼍  cos   :  =  =  =   2 V /  ̄ 焉 o  ̄ ( 7 t   :

= c r 。

  2   这样  2 C? ] [ ) = :

2 ‘   ‘   ( 6)   同时令 A= D   ,将式( 6 ) 代入式( 5 ) 得  :

  :

  一  a  )   一1 ]   ( 7 a )   式中   。

—— 材料抗压强度,混凝土  。

=   ;   R   —— 混凝土的标准抗压强度;   A —— 侧压效应系数;   半径,   a —— 井壁内半径。

  式 ( 7 a )中令r = b( 井壁外半径),可求得素混凝±井壁的极限荷载为  P  =   } :

(   )   一1 ]   ( 7 b)   四、钢筋混疑兰并壁的极限荷载计算   以上的分析中均假定井壁为均匀连续  :

,但是对于钢筋混凝土这样由两种材料组成的井  壁,仍采用上述假设进行分析,则分析势必是很粗糙和近似的,   如不采用它,贝   将使分析难以开展,今拟采用折衷办法,仍视钢  筋混凝土井壁整体为匀质体,但是,考虑配筋的影响。

  试验表 明,井壁中配制的环筋能使混凝土达到强度峰值时的  压应变提高不少,这是因为钢筋起到了调整混凝土应力的作用,   能比较好地发挥混凝土的塑性性能,使构件达到强度峰值时的应  变值增加,改蔷了受压破坏的脆性性质。

  因此,求得钢筋混凝土整体的换算强度后,便可运用式( 7 b )   来计算钢筋混綦土井壁的极限荷载。

  轴心受压锈筋混凝土短柱的 极限承载力的计算公式( 图3 ) 为   图 3   N。

= R  Ad + R2 A;   3 2   维普资讯 http:// = 础羽 ÷ § ? 筹 ,   式中   A   ——短柱的横截面积;   R:

——钢筋抗压强度  A   —— 钢筋截面积。

  令  m =  登 ’ 筹   则上式成为   由于  = A   / A d ,   =  三 之   ^ d   故m=1 +(   R:

/ R   )   于是钢筋混凝土井壁的换算强变  R。

=ER  =R  +  R; =0 . 7 R+  R;   (8)   式中  R—— 混凝土标号。

  这样,钢筋混凝土井壁的极限荷载计算公式 由式 ( 7 b )得  P   = 普   ( ÷ )   一 - 1 ]   五、复合并璧鲴暑碾荷载  ( 7 c )   复合井壁是指由单层或双层钢板借助于锚卡程混凝土或钢筋混凝土组合成一 整 体 的井  壁。复合井壁从宏观来看是钢和混凝土或钢筋汪麓土的组合结构,因此其极限荷载应是钢和  混凝土或钢筋混凝土这两个子结构的承载能力的   加。另一方面,由于它们韵复合作用,致  使混凝土处于三向受力状态,提高了混凝土的强   ,使这种迭加不是简单的算术迭加。

  先取 内钢板为研究对象,按薄壁筒处理,到   ,、 .   +  = P, 2 ?     i l   = ZI h   式中   —— 内钢板竖向应力;   。— — 内钢板环向应力;   。

  t 。

—— 内钢板厚度;   z ——钢板密度;   h —— 相应于极限荷载的井深;   P   —— 内钢板与钢筋混凝土内绦的接触法向力。

  将  与   的关系式代入Mi s e s 屈服条件  。 一   。 : 一  =   :

  .   可得  EP  +FP   ÷G = 0   解之得  3 3:

  维普资讯 http:// Pl   2 =   F ÷、 /F。

一4 E G   2 E   ( 9)   式 中 E = (   F :

一(   [ 1   ;   ) Z h ;   G=Z   h   一  :

  次取牛同混凝土部分 ( 对内钢板钢  曼 凝土复合井壁,贝 5 为钢筋混凝土)   为研究对象 ,   按 内侧作暑力P Ⅲ 外侧作用压力P :

的厚壁:

 菊处理,则有边界条件  r   r = .。

十t . Pl 2   代入式( 4 ) 得  B=l n E P   2 ( D。

一1 ) ÷2  ?  ] 一( D。

一1 ) i n ( a 十t   )   上式代回( 4 ) 得  { ( 寿 )   。

 2 。

( D   - 1 )  ]  }   :

    D 一 1 { (   一 t   a+ I   ~   O "   o、   ( D :

一] ) +1 ] 一1 } ( 1 0 )   将r =b 、   。

=R  [ 对非素混凝土:

  。

=  。

j 、A=D。

代入式( 1 0 ) 得  P ¥ 8 - 普{ (   。

  :

  ( 州 1 _ 1 }   式中  P   。

——外钢板与钢筋混凝土外缘  搂磁法向力。

  ( 7 d )   再取外层钢板为研究对象,视其为  蕉圆篱,则   =   p  一   ) _? P   一2   L2   。

  = Zh  式中 d =舀 + t :

,t z 为外钢板厚度。

  将  与  。

的关系式代入前述的M i s e s , Z驻准则,得  K? P :

一L。

?。

十M=0   解之得  ( 7 e )   式中   X=( d / t , ) 。

;   二 = 2   + } 啦,   M=Z ' h t 一  :

+_ b. Z h. P 。

a 十( —  ) :

P   。  ●   02   3 4   维普资讯 http:// 六、模型井壁褫限荷载约实测值与理论值的对比  以上从假设混凝土为均质体出发,采用莫尔 屈服)条件和 M i s e s 条件,运用弹塑性理  论推证了各类井壁的极限破坏荷载计算公式。根据以上公式,笔者编铷了一个计算程序。附  表是利用该程序对文献[ 1 ~2 ] 的试验资料所作的计算比较。数值分析表明公式具有较高的使  用价值。

  附表  编 号   试件类型  外 径   ( c m)   1   2   3   4   5   内 径   内钢板厚  夕 卜 钢板厚   配筋率  混凝±强度   P s   ( c m)   ( m  )   (  m )   ( % )   ( MP a )   ( 理论)   i   2 5   1   2 5   l 2 5   l 2 5   7 3   P s   ( 实测)   5 . 3   3 . 0   4 . 5   4. 8   9. 8   RC   RC   I S R C   I S RC   I S RC   1 5 0   1 5 0   1 5 0   1 5 0   9 2 . 5   0   0   3 . 0   3 . 0   3 . 0   0   o   0   0   e   1 . 4 4 8   1 . 4 4 8   1 . 4 8   1 . 4 8   0 . 8 7 4   3 5 . 7   2 6 . 2   1 2 . 3   2 4 . 5   3 0 . 8   5 . 3   4 . 0   4 . 7   5. 1   9. 8   6   7   8   9   I S R C   DS C   D S C   DS C   9 2 . 5   9 2 . 5   9 2 . 5   9 2 . 5   7 3   7 3   7 3   7 7   3 . 0   2 . 5   2 . 0   2 . 0   0   Z . }   2 .   2   0 . 4 3 7   0   0   0   3 5 . 2   4 4 . 4   4 6 . 7   4 9 . 0   1   2 . 1   2 9 . 9   2 7 . 2   l 7 . 9   1 2 . 3   2 9 . 4   2 7 . 4   l 7 . 6   1 0   l 1   l 2   DS C   DS C   0S RC  9 2 . 5   9 2 . 5   9 2 . 5   7 7   7 7   7 3   1 . 2   2 . 0   0   j . :

  2 . 0   3 . 0   0   0   0 . 8 7 4   4 4 . 1   4 9 . 0   3 9. 4   1 4 . 0   1 7 . 9   1 7 . 0   1 4 . 0   1 7 . 6   1 6 . 7   l 3   0S R C   9 2 . 5   7 3   0   3 . 0   0 . 8 7 4   4 7 . 5   1   9   6   1 9 . 6   注,①R C 指钢筋混凝土 ; ②I S R C 描肉钢板钢筋混凝 ± ;③0 S C 指双钢板索混凝 土 ; ④O S R C 指外钢板钢筋混凝±   P s 单位为M P 8 .   七、 结  论  通过以上分析,可得如下结论:

  1 .井壁极限荷载可以根据具体情况用公式  ?  ~( 7 e ) 进行估算;   2 .对井壁进行塑性极限分析时,假设混凝±为匀质体,能使问题得到简化,但 由 此 引   起的误差经数值计算对 比看来是为工程所允许的;   3 .对钢筋混凝土整体采用式( 2 ) 计算其按算弦麦是可行的。

  3 5   维普资讯 http:// ANAL YS i S   0F   UL TI M A:

E 己0AD  0F   S HAFT   LI NI NG  Li u   i hu i   ■h , s  ̄ r a c t   W he n   d e s t r u c t i v e   t e s t   t o   a n y   k :

n 已o f   mo d e l   s h a f t  l i n i n g  a r e   c a r r i e d   o u t ,   ’ t h e   u l t i n - l a t e — l o a d   o f   i t   s h o u l d   b e   r x :

e d i z t e d   i n   a d a va n c e   S O   a s   t o   d e t e r mi n e   t h e   l o a d i n g   s t e p s   a n d   t h e   d a t a   a s   mu c h 矗 s   p o s s i b ! e   wh' 2 c h   i s   p l a n e d   t o   a c q u i r e .   Un f o  ̄u n a t e l y, t he r e  h a s n   t   b 。

n   a 丑a v a i l a b l e   f o r mu l a   u p   t o   n O W  wh i c h   c a n   c a l c u l a t e   u l t i ma t e   1 o a d   o f   s ha f - c   l i n i n g .T hi s   p a p e r   d e mo n s t r a t e s   a   f o r mu la   t o   c a l c u l a t e   t h i s   l o a d   b y   u s i n g_ . \ 【 o h ?   S   yi e l d i n g   c r i t e r i o n  a n d  m a k i n g  p l a s t i c   o n c r e t e   s ha f t】 i 2 1 二 g,a n d   p r o p o s e s   s o me   f o r mu l a e   u s e d   wi d e l y   l i mi t   a n a l y s i s   o fc ~ i n   mi n e   c o n s t r u c t i o n   n  i C hi n a   whi c h  c a l l  d e t e r mi n e  b o t h  u l t i ma t e  l o a d  o f   r e i n f o r c e d   a n d   s t e e l   s he e t   c o n c r e t e   c o mp o s i t e   s ha f t   l i n i n g.   Te s t i n g   a t   La b.ha s   p r o v e n   t ka t   t h e   Mt i ma t e   l o a d   d e t e r mi ne d  b y  t h e s e   f o r mu l a  me n t i o n e d  a b o v e  a r e   i d e n   :

 a :wi t h   t h e   d a t a   g a i n e d  f r o m t e s t  a n d   pr o vi de   wi t h  a  v e r y   hi g h   va l u e  c G  i l s e .   3 6  

【文摘】基于极限状态设计方法和松散体理论,对井壁荷载进行了量化分析,提出了井壁荷载分段设计公式,解决了弱胶结软岩地层井壁荷载设计的难题.

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基于极限状态设计方法和松散体理论,对井壁荷载进行了量化分析,提出了井壁荷载分段设计公式,解决了弱胶结软岩地层井壁荷载设计的难题.

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