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　　【摘要】克服现有深拱底梁闭式支架的不足，设计试制了具有较高水平抗力的浅拱底梁，摸索了其棚腿搭接方法。利用ANSYS12.1模拟对比了浅拱底梁与深拱底梁的受力特征，结果表明均布载荷下浅拱底梁极值应力受矢高影响更为敏感，弯曲应力所占比重较小，空间稳定性更强；在水平挤压作用下，底梁弯曲受力为主要承载模式，弯矩与应力随着矢高的加大线性增加，前者抵抗水平变形能力远优于后者，更适合对于剪切滑移型底鼓的控制。开滦林南仓矿软岩巷道的工程应用，证实了受力分析的正确性，体现了浅拱底梁在治理剪切滑移型底鼓中的优越性。
　　【关键词】浅拱底梁；软岩巷道；剪切滑移型底鼓；数值模拟
　　软岩巷道的底鼓变形一直是困扰煤矿生产与护设计与工程实践，相关科研院所与生产单位开展建设的重大技术难题[1-3]。针对底鼓的变形机理、支了许多有益研究与实践[4-10]，形成了锚注、反拱底梁、混凝土浇筑等多种控制方法，在特定工程条件下取得了一定的效果。然而，在遇水泥化不可注的软岩、碎裂难锚的修复巷道中，底板锚注往往效果不佳；混凝土浇筑因造价昂贵、工艺复杂限制了其大范围应用。架设底梁形成闭式支架，辅以壁后充填、锚注而形成联合支护，在开挖空间周边可形成一个桶形闭环承载结构，控制底鼓的同时利于帮顶的稳定，是控制底鼓的较佳途径。闭式支架以多节马蹄形和圆形居多(图1)，结构上为深拱异型支架，因用量少常需定制加工，在条件多变的复杂地段其应用的灵活性不足。本文基于现有开式支架提出了一种浅拱底梁，与棚腿以焊接卡缆进行连接，可灵活选择底梁的架设与否，特别适合仅需少量清挖底鼓的软碎围岩修复巷道。数值模拟与工程应用表明，较之深拱结构，该类支架更适合对剪切滑移型底鼓的控制。
　　1浅拱底梁支架的设计与特点
　　在底板开挖反拱来优化断面，实现了围岩结构的整体承载，架设底梁形成封闭支架，既限制了帮角和底板的位移，又利于帮顶承载点的稳定，这种全断面支护的技术原理，是底鼓控制的重要技术方向。考虑棚式支架的结构特点，底拱的矢跨比在很大程度上决定了其控底能力，该值越大对垂直力限制越大，而水平挤压力限制越小，反之垂直控制力得到强化，水平控制力得到削弱。
　　常规底拱梁的矢高一般大于800mm，主要存在如下问题：1)底梁以冲压的小曲率弧形曲线(尺=400?600mm)与棚腿搭接，或在棚脚加焊一搭接段，加工安装较为困难；2)卧底工作量大，以14m2的断面为例，矢高为800，1000和1200mm时，卧底断面开挖率将达20.6°%，24.3°%和28.6°%(图2a~c)；3)搭接使得棚腿无法穿柱鞋，棚脚约束被弱化，不利于支架的整体稳定和能力提升，需初掘安装而不适合修复巷道安装;4)对于剪切滑移型底鼓，支护的薄弱部位在2个棚脚，其耦合支护策略应为强化横向内收位移控制并对垂向力有一定限制，大矢高不利于对水平位移的控制。
　　为此，开发设计了矢高低于800mm的两节搭接式反拱底梁，称为浅拱底梁。该类支架以常用14?16m2的三弧拱形棚式支架为原型，不进行几何调整，可灵活选配底梁的实施与否。结构上取消了搭接处的过渡曲线段，变棚脚搭接为棚腿搭接，搭接长度800mm，圆弧半径6225mm，矢高可分别取为400，500，600mm。通过试制摸索和改进，在梁端焊接卡缆下槽型板，以上槽型板为抱箍与棚腿紧密搭接。为实现底梁的标准化生产，开发了简易焊接台(图3)，底梁安装质量得到了保障。
　　浅拱底梁的主要特点为：1)采用单一圆弧结?
　　构，开一个胎膜单次压制即可成型，设备简单，加工与修复容易；2)与棚腿的搭接采用焊接卡缆来实现，当底鼓量较大时可上向滑动，具备底板让压功能；3)基本支架结构不经变动，可穿柱鞋，其整体受力得到全面强化，修复安装时可不拆卸基本支
　　架；4)力学设计以控制水平挤压力为主，限制上向底鼓力为辅，具有双向控压功能；5)卧底开挖及回填量小，仅占巷道净断面的8.6%，10.8%和13.0%(图2d~f)。
　　2底拱梁的承载计算
　　金属支架承载能力的理论计算，主要有强度校核法和稳定性分析法2类。侯朝炯、尤春安、荆升国等[11-14]依据强度校核法分别给出了各类支架的承载能力，其基本过程为：1)对结构进行抽象和简化，将支架视为平面内的线梁，绘制受力简图;2)通过现场实测或理论分析，按照集中型、均布型、顶压型、肩压型、侧压型几类加载模式，确定其载荷分布；3)进行棚脚约束状态选择与自由度分析，求取支反力和各段内力；4)叠加梁的弯曲应力和轴向正应力，进行屈服强度校核。该法的关键是由数学极值法找出结构的最大弯矩点和极值，按照式(1)进行强度校核，进而评判支架的承载能力。因浅拱底梁曲率半径与型钢截面高度之比大于5,属于小曲率梁杆，式(1)中第一项弯曲应力的计算按直梁计算误差在7%之内，能够达到工程精度要求；而深拱底梁在过渡曲线处曲率半径较小，为局部大曲率梁，需按曲梁公式进行计算。直梁、小曲率梁大曲率梁
　　式中：Mmax为极值弯矩；％为型钢抗弯截面系数;W为钢梁轴力；^为型钢截面积；为与中性轴的最远距离；s为截面对中性轴的静矩；为距中性轴最远点与曲率中心距离；[〇]为屈服强度。
　　支架结构性失稳是随地压加大、断面加大、非
　　均匀受力而出现的工程破坏现象，稳定性研究虽晚于强度校核法，但对于支架承载能力的评估尤为重要，往往是支架综合能力的决定因素。圆弧拱在均布载荷下，发生面内分支点失稳的临界载荷集度可按式(2)进行计算。该条件下，各点弯矩值为零，轴力为应该指出，承载能力与约束条件、加载方式密切相关，任一条件的变动将会带来弯矩、轴力、剪力沿梁长分布的不同，进而导致变形机理、破坏模式的巨大差异。复杂条件下多弧结构内力分布、稳定性计算，类似式(2)的理论计算法存在很大障碍，有限元法恰能弥补这方面的不足。式中：为极限均布载荷集度；?为梁的弹性模量;/为梁的惯性矩；A为拱半径；0为圆心角的一半；々为临界载荷系数。
　　采用ANSYS12.1对图2中支架以梁单元BEAM189建模，自定义截面为29U型钢，表1和
　　表2列出了固定约束、绞约束、梁端滑动约束中，单位均布载荷和集中载荷下，底梁轴力、弯矩和VonMises应力的极值与位置，给出了面内失稳和空间失稳的一阶屈曲特征值。其中极值体现了单位力作用下的内力大小，部位表征了结构薄弱点位置，VonMises应力则反映了弯曲应力及轴压应力的综合构成。?
　　规格(跨中)限位(FX)、（梁端)滑动约束(FYZRFXY)
    U    Mmax/(N-m)    正应力
°"max/MPa    一阶屈曲特征值 (面内/面外）
SR400    999.9(跨中)    399.7(跨中)    4.26(跨中）    594.0/594.0
SR500    999.9(跨中)    499.8(跨中)    5.38(跨中）    591.5/591.5
SR600    999.9(跨中)    599.8(跨中)    6.51(跨中）    588.6/588.6
DR800    999.9(跨中)    798.7(跨中)    8.76(跨中）    463.4/461.8
DR1000    999.9(跨中)    991.3(跨中)    10.9(跨中)    516.1/513.7
DR1200    999.8(跨中)    1 198.4(跨中)    13.3(跨中)    523.0/519.7
　　表2集中水平载荷下底梁内力极值及特征值Table2Maxinternalforcesvalueandeigenvalueoffloorbeamunderhorizontalconcentratedload
　　水平集中载荷1kN均布载荷1kN/m、固定约束下，正应力极值点位于梁端，浅拱极值应力有41%~51%来源于弯曲，深拱有74%~83°%来源于弯曲，随着矢高加大该比重有所下降。浅拱矢高200mm加大会引起应力39°%的降低，深拱矢高引起应力28°%的降低。均布载荷绞约束下，浅拱正应力极值点位于跨中，极值应力中16%~23%来源于弯曲，深拱正应力极值点位于过渡点，有79°%?87°%来源于弯曲，随着矢高加大该比重有所下降。浅拱矢高200mm加大引起应力36%的下降，深拱引起应力27%的下降。可见，均布载荷下，浅拱结构最大承载部位因约束方式不同而分别位于梁端或跨中，深拱则为梁端或过渡点；较之深拱，浅拱底梁应力受矢高变化影响更为