不同載荷形式下型鋼支架承載能力的正交優(yōu)化

高明中，陳雨雪

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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不同載荷形式下型鋼支架承載能力的正交優(yōu)化

高明中，陳雨雪

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要：為研究高應(yīng)力軟巖巷道中U型鋼棚支護(hù)的承載能力，基于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，采用數(shù)值模擬軟件ANSYS對不同的外載荷分布和幫部約束條件下的U型鋼棚進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析。結(jié)果表明：均勻載荷作用下，型鋼支架支護(hù)效果最好。若幫部施加結(jié)構(gòu)補(bǔ)償約束，支架所受的彎矩和位移均比不加約束力小的多，對提高支架承載性能效果明顯，現(xiàn)場實(shí)踐表明正交優(yōu)化方案可行。

關(guān)鍵詞：型鋼棚支護(hù)；正交試驗(yàn)；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)補(bǔ)償

隨著采深的增加，巷道支護(hù)的難度越來越大。U型鋼棚支護(hù)因在承載能力和可縮性方面具有良好的性能，得到了較為廣泛的應(yīng)用。如在深部軟巖大斷面巷道中，遇到隨掘隨冒，無法實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，或在錨網(wǎng)支護(hù)巷道出現(xiàn)強(qiáng)烈變形未能滿足支護(hù)要求時(shí)，采用高阻可縮U型鋼棚支護(hù)可滿足支護(hù)要求。但大量工程實(shí)踐表明，許多情況下高阻可縮U型鋼拱形支架的承載性能尚未得到充分發(fā)揮，支架承載結(jié)構(gòu)便失穩(wěn)破壞[1-4]。其主要原因是，一方面支架未能與圍巖緊密接觸導(dǎo)致支架承受局部集中荷載；另一方面型鋼是等截面，但支架受力是非等荷載的，造成局部荷載大于型鋼強(qiáng)度而造成支架失穩(wěn)破壞[5-6]。

影響U型鋼支架結(jié)構(gòu)承載能力的因素，除了支架的材質(zhì)截面參數(shù)以及支架的幾何形狀和尺寸外，支架外載荷的分布以及約束局部外載荷也是影響支架承載能力的主要因素[7-8]。為了分析U型鋼支架的承載能力，有必要對其不同的載荷分布以及合理的幫部約束力大小及位置進(jìn)行分析。

1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響U型鋼支架承載性能的因素有很多，為區(qū)分多種影響因素的主次關(guān)系，可對各因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以規(guī)格化的正交表來科學(xué)的設(shè)計(jì)與分析該多因素試驗(yàn)[9-10]。

在不同載荷作用下，U型鋼支架自身存在不同的危險(xiǎn)截面，支架的承載性能大打折扣，通常情況下危險(xiǎn)截面的彎矩及位移變化較大，其他部位并未完全發(fā)揮承載性能，而支架已經(jīng)失穩(wěn)。影響支架承載能力的因素有很多，作者認(rèn)為主要有以下4點(diǎn)：

1) 支架承受外載荷的形式。外載荷形式有4種，具體為均布載荷、肩部集中載荷、兩幫集中載荷、頂部集中載荷；

2) 外載荷的大小；

3) 幫部約束局部荷載力的大??；

4) 幫部約束局部荷載力的位置。

設(shè)計(jì)選用U型鋼棚頂梁、U型鋼棚幫部的位移和所受的彎矩作為考察的指標(biāo)。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)有4個(gè)考察指標(biāo)；4個(gè)因素，其中各因素含4水平，設(shè)計(jì)采用四因素四水平正交表，因素及水平分類如表1所示。

表1　因素及水平分類

由表1得知，本試驗(yàn)有4因素對最終4指標(biāo)產(chǎn)生影響，故可選用L16(45)正交表的前四列，前后依次做16次試驗(yàn)，共得到16次模型試驗(yàn)，分別記錄于表2中，空列代表誤差列。

表2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2模擬結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)采用ANSYS有限元軟件，支架選用直墻半圓拱形支架，支架直墻高度L=1.5 m，支架拱部半徑r=2 m，模擬過程中型鋼選取U29型鋼，其截面面積37 cm2，理論重量29kg/m，轉(zhuǎn)動慣量為Ix=612.1 cm4，Iy=770.7 cm4，考慮了結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)。材料彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3，為線彈性材料，在不考慮圍巖的情況下，利用等效截面的方式進(jìn)行數(shù)值模擬，選用二維梁單元beam3，對于二鉸接支座，水平、垂直位移為零，即Ux=Uy=0，建立U型鋼的有限元分析模型，依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)順序，依次分析總結(jié)上述4個(gè)考察指標(biāo)模擬結(jié)果，并將各指標(biāo)結(jié)果和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表綜合分析，繪制指標(biāo)結(jié)果分布如圖1所示。

1-頂梁彎矩；2-幫部彎矩；3-頂板位移；4-兩幫位移圖1　各正交試驗(yàn)組指標(biāo)結(jié)果分布圖

從圖1中可以看出，在以上16組設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，盡管不同的支架載荷形式，只要施加幫部約束，支架承受的彎矩和位移均小于未施加幫部約束的情況，即反應(yīng)出在幫部施加一定的補(bǔ)償約束，可有效提高支架自身的承載性能。

為更好地分析以上正交試驗(yàn)組各指標(biāo)結(jié)果，考察判斷各因素對考察指標(biāo)的影響程度大小，并找出最優(yōu)水平組合，采用極差分析對以上正交試驗(yàn)組進(jìn)行分析。通常情況下，考察某因素的主次關(guān)系，經(jīng)常通過該因素在不同水平下的指標(biāo)值的最大、最小值的差值，即極差R來比較。極差R越大，表明該因素對指標(biāo)值影響較大，為主要因素；反之，則為該指標(biāo)的次要因素或不重要因素。通過確定各指標(biāo)值不同影響因素的主次要關(guān)系，確定最優(yōu)水平組合方案。對于不同的考察指標(biāo)，可根據(jù)指標(biāo)對取值大小的不同要求，分別選取最大或最小ki所對應(yīng)的考察水平，其中ki表示任一列上水平號為i時(shí)所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均數(shù)。

現(xiàn)對4項(xiàng)考察指標(biāo)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)極差分析，各項(xiàng)指標(biāo)極差分布如圖2～圖5所示。為更直觀比較各因素下指標(biāo)變換情況，在圖2至圖5中分別加入各因素極差分布折線圖。

圖2　U型鋼棚頂梁彎矩?cái)?shù)據(jù)的極差分布圖

圖3　U型鋼棚幫部彎矩?cái)?shù)據(jù)的極差分布圖

圖4　U型鋼棚頂梁位移數(shù)據(jù)的極差分布圖

圖5　U型鋼棚幫部位移數(shù)據(jù)的極差分布圖

由圖2～圖5可知，各項(xiàng)指標(biāo)值的影響因素主次關(guān)系如下，頂部彎矩： A>D>C>B；幫部彎矩：C>A>D>B；頂部位移：A>C>D>B；幫部位移：A>D>C>B。各指標(biāo)下最優(yōu)方案分別為，頂部彎矩：A1D3C3B1；幫部彎矩：C4A1D4B1；頂部位移：A4C3D4B4；幫部位移：A4D4C4B1。

因此可得，對于各考察指標(biāo)，A因素均為主要因素，B因素皆為次要因素，因素C、D各項(xiàng)指標(biāo)的極差R很接近，綜合分析，可對四項(xiàng)考察指標(biāo)的四因素進(jìn)行主次順序排列：A>D>C>B，即所考察的四個(gè)指標(biāo)，頂板和幫部的彎矩及位移，其中支架承受外載荷形式A影響程度最大，其次是幫部約束局部荷載力位置D和幫約束局部荷載力大小C，影響程度最小的是支架承受外載荷大小B。由此可得支架最優(yōu)組合為A1D3C4B1，即支架在均勻載荷下，幫約束局部荷載力位置距底0.3 m，0.9 m，幫約束力局部荷載力大小為45 kN的情況下，U型鋼支架所受的彎矩和位移為最小。

3工程實(shí)踐

基于蘆嶺礦8煤巷道具體的工作條件，參考已有金屬支架設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)本文載荷形式與支架承載能力關(guān)系的研究，結(jié)合支架的制造相關(guān)工藝的可能性以及現(xiàn)場施工的可操作性，對該礦II829-1機(jī)巷，布置了半圓拱斜腿可縮性支架+錨桿(索)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)闹ёo(hù)方式。同時(shí)補(bǔ)加采用長搭接、多卡纜、縱向多路拉桿和鋪網(wǎng)等技術(shù)措施。其中巷道支護(hù)斷面及支護(hù)參數(shù)如圖6所示，其中U型鋼棚距為500 mm。為驗(yàn)證支護(hù)效果，對現(xiàn)場進(jìn)行巷道變形觀測。

圖6　機(jī)巷U29型鋼棚支護(hù)斷面示意圖

由現(xiàn)場觀測表明，巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量隨著觀測時(shí)間逐漸增加。各測站圍巖變形前期變形緩慢，但在測站布置的前三周變形量較大增長；從第四周至第九周保持較快增長；第九周以后，巷道支架變形基本趨于穩(wěn)定，且最大觀測圍巖頂?shù)装逡平繛?9 mm，最大兩幫移近量為66 mm，巷道圍巖變形量較小。由此可知半圓拱斜腿可縮性支架+錨桿(索)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)闹ёo(hù)方式，有效降低了支架危險(xiǎn)截面的彎矩，提高了支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，強(qiáng)化了支架支護(hù)強(qiáng)度。該支護(hù)方案應(yīng)用可行，從而為蘆嶺礦后續(xù)巷道支護(hù)提供參考和借鑒。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)正交試驗(yàn)，不同的支架載荷形式，只要施加幫部約束，支架承受的彎矩和位移均小于未施加幫部約束的情況，即在幫部施加一定補(bǔ)償約束的情況下，可有效提高支架自身的承載性能。

2) 正交試驗(yàn)極差分析得知，對設(shè)定支架承載性能指標(biāo)值(即兩幫和頂部的位移及彎矩的大小)的各影響因素，支架承受外載荷形式影響程度最大，支架承受外載荷大小的影響程度最??；

3) 現(xiàn)場工程應(yīng)用表明，半圓拱斜腿可縮性支架+錨桿(索)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)闹ёo(hù)方式，有效降低了U型鋼危險(xiǎn)截面的彎矩，提高了支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，強(qiáng)化了支架支護(hù)強(qiáng)度。支護(hù)方案應(yīng)用可行。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Orthogonal Optimization of Load Bearing Capacity of Shaped Steel Supports under Different Load Forms

GAO Ming-zhong ，CHEN Yu-xue

(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:In order to study the bearing capacity of U-shaped steel supports in soft rock roadway with high stress, based on the orthogonal design experiment, the numerical simulation analysis of the U steel supports under different external load distribution and the constraint conditions of roadway sides was carried out by using the numerical simulation software ANSYS, and the simulation results were analyzed. The results showed that the supporting effect of the steel supports is the best under the uniform load. If imposing structural compensation constraints at the roadway sides, the bending moment and displacement of the supports are much smaller than without constraints at roadway sides, which obviously improves the bearing capacity performance of the supports, and the field practice showed that the orthogonal optimization method is feasible.

Key words:shaped steel support; orthogonal experiment; numerical simulation; structural compensation

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：高明中(1957-)，男，安徽淮南人，教授，碩士，研究方向：礦山壓力與巖層控制。

中圖分類號：TD26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2016)01-0065-05