摘 "要：針對深部巷道可縮性U型鋼拱架易在卡纜節(jié)點處產(chǎn)生破壞的問題，以U29型鋼拱架卡纜節(jié)點為研究對象，建立承載力二次預緊提升率評價指標，通過室內(nèi)試驗和數(shù)值試驗對影響卡纜節(jié)點承載力的初始扭矩、搭接長度和二次預緊等因素進行研究。試驗結(jié)果表明：初始扭矩和搭接長度是影響拱架節(jié)點承載能力的主要因素；同時對節(jié)點施加二次預緊，能夠有效提高拱架節(jié)點的承載能力，當初始預緊扭矩為150 N·m、搭接長度為500 mm時，二次預緊后承載力可提高35.30%；當初始扭矩大于160 N·m時，二次預緊的提升效果將不再明顯；搭接長度小于400 mm時，試件在受力后期會因變形過大無法起到有效約束作用。

關(guān)鍵詞：深部巷道；U型鋼拱架；卡纜節(jié)點；二次預緊；初始扭矩；搭接長度

中圖分類號：TD353 " " " " " " " "文獻標志碼：A " " " " " " "文章編號： 1008-0562（2024）04-0471-08

Experimental study on mechanical properties of cable-stuck joints of retractable U-shaped steel arch

ZANG Jincheng1， TIAN Hongdi2*， GAO Xiang1， ZHANG Jian3， ZHANG Yacong2

（1. Yanmei Wanfu Energy Company Limited， Heze 274922， China;2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering， China University of Mining amp;Technology （Beijing）， Beijing 100083;

3. Shandong Energy Group Luxi mining Company Limited Anti-impact Center， Heze 274700， China）

Abstract： In order to solve the problem that the yielding U-shaped steel arch is easy to cause damage at the cable joint in deep roadway， the U29 steel arch cable joint is taken as the research object， and the evaluation index of the secondary preload lifting rate of the bearing capacity is established. The factors affecting the bearing capacity of the cable joint， such as initial torque， lap length and secondary preload， are studied through laboratory tests and numerical tests. The test results show that the initial torque and lap length are the main factors affecting the bearing capacity of arch joints. When the initial preload torque is 150 N·m and the lap length is 500 mm， the bearing capacity of the joint can be increased by 35.30%. When the initial torque is greater than 160 N·m， the lifting effect of the secondary preload will no longer be obvious; When the length of the lap joint is less than 400 mm， the specimen can not play an effective restraint role due to excessive deformation in the later stage of stress.

Key words： deep roadway; U-shaped steel arch; cabling joint; secondary pre-tightening; initial torque; lap length

0 "引言

隨著淺層煤炭資源的日益枯竭，礦井建設(shè)不斷向深部發(fā)展，巷道面臨著高應力、弱圍巖、強流變等復雜條件，圍巖穩(wěn)定性控制難度逐漸增加[1-3]。在深部高應力巷道支護技術(shù)中，U型鋼拱架因具有韌性高、增阻速度快、支護強度較大等優(yōu)點，被廣泛應用于工程實踐當中，并取得了明顯的經(jīng)濟社會效益[4-7]。但U型鋼受井下空間限制，各分段需要采用卡纜節(jié)點進行搭接，搭接的位置容易產(chǎn)生螺栓受力拉斷和受剪破壞、卡纜撕裂和各部件變形過大失效等現(xiàn)象[8-11]，進而影響U型鋼整體的各項性能無法充分發(fā)揮。

在U型鋼拱架卡纜節(jié)點受力狀態(tài)、變形破壞規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素等方面，相關(guān)學者做了許多重要研究。謝文兵等[12]通過理論分析、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，分析了拱架的失穩(wěn)原因并提出了針對性的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定補償技術(shù)。侯朝炯等[13]提出了合理確定螺栓連接件和型鋼有關(guān)參數(shù)的方法，并提出型鋼滑移后二次預緊的重要性。張浩文等[14]進行了鋼拱架室內(nèi)加載試驗，研究了在不同直徑工況下拱架卡纜螺栓預緊力對拱架承載能力及穩(wěn)定性的影響。董標等[15]借助有限元模擬和節(jié)點軸向加載試驗分析了螺栓預緊力和槽型形狀對讓壓節(jié)點工作性能的影響。綜上可知，拱架節(jié)點對拱架整體穩(wěn)定性影響較大，探究節(jié)點的力學性能有重要意義。二次預緊有利于提高U型鋼拱架承載能力，但是關(guān)于二次預緊的影響機制研究較少，未在實際工程中得到推廣應用。

因此，本文設(shè)計相關(guān)試驗進一步明確節(jié)點處力學承載性能和二次預緊的實際效果。使用夾板雙槽形式連接件[16]連接的U型鋼拱架試件進行室內(nèi)加載試驗，研究在二次預緊措施下不同搭接長度、不同初始預緊扭矩對U型鋼拱架卡纜節(jié)點力學性能的影響規(guī)律，并提出現(xiàn)場工程建議，為U型鋼拱架的設(shè)計和現(xiàn)場應用提供指導和參考。

1 "室內(nèi)試驗研究

本次試驗以搭接長度、初始預緊扭矩作為研究變量，采用礦山巷道常用的U29型鋼開展二次預緊措施下拱架節(jié)點室內(nèi)對比試驗。

1.1 "試驗概況

（1）方案設(shè)計

取兩段長度為60 cm的U29型鋼進行試驗，利用兩套夾板雙槽形式連接件進行固定組合，U型鋼材質(zhì)為20Mnk，密度為7 800 kg/m，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.27，屈服強度為335 MPa，抗拉強度為490 MPa，伸長率為16%；卡纜夾板屈服強度為355 MPa，抗拉強度為600 MPa。試驗開始時使用扭矩扳手對卡纜螺母施加相應的初始預緊扭矩，提前在試件上標注格線方便觀察滑移距離，試驗設(shè)計方案示意見圖1。

設(shè)計不同搭接長度和不同初始預緊扭矩兩類試驗，分組情況見表1，部分試件見圖2。相關(guān)現(xiàn)場的拱架搭接段搭接長度為400 mm，施加初始預緊扭矩為 150 N·m。以此為中心設(shè)計3組對照試驗，每組試驗進行3次，取平均值進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，詳細探究搭接長度和初始預緊扭矩對拱架承載能力的影響，保證研究結(jié)果的可靠性。

（2）試驗設(shè)備

本試驗的拱架節(jié)點力學試驗系統(tǒng)主要由反力框架、伺服液壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成[17]，可實現(xiàn)多級加載-保壓全伺服控制及荷載-位移的高速實時采集。通過安裝加載壓頭、凹槽承壓板和固定壓頭，實現(xiàn)不同條件下的加載。拱架力學試驗系統(tǒng)見圖3。

（3）試驗加載過程介紹

試驗系統(tǒng)以5 mm/min的速度對試件加壓，采集系統(tǒng)實時記錄加載壓頭壓力變化和搭接段滑動位移數(shù)據(jù)。當試件搭接處滑移錯動50 mm時停止加載并保壓，用扭矩扳手對試件進行二次預緊，恢復至各組初始扭矩，繼續(xù)加壓至搭接段滑移錯動總距離到達100 mm時停止加壓，試驗結(jié)束。觀察U型鋼卡纜連接件變形情況并記錄。

1.2 "試驗結(jié)果分析

為定量地分析二次預緊后試件在不同條件下承載能力的提升程度，建立承載力二次預緊提升率定量評價指標。二次預緊提升率ζ，即二次預緊之后承載力相較于原試件承載力的提高程度，ζ越大，代表二次預緊之后提高的承載力越大，二次預緊的效果越好，計算公式為

， " " " （1）

式中：F為二次預緊之后的試件承載力，kN；f為二次預緊之前的試件承載力，kN。

（1）不同預緊扭矩分析

選取每個對照組中的典型變化曲線，生成二次預緊措施下不同扭矩條件的承載力位移關(guān)系，見圖4。將每個對照組數(shù)據(jù)進行平均取值，生成二次預緊提升率，見圖5。

由圖4和圖5分析可知：從單個試件變化曲線可見，在Ai（i=1，2，3）點之前，曲線呈臺階狀變化，此時型鋼與卡纜之間存在微小錯動滑移和震響，這是因為初始安裝時型鋼和卡纜之間存在有空隙，這些空隙在試驗中不斷被壓實，從而產(chǎn)生臺階狀的變化曲線；在AiBi（i=1，2，3）段承載力隨錯動位移不斷增加，曲線斜率比較穩(wěn)定，說明外力克服型鋼與型鋼、型鋼與卡纜之間接觸所產(chǎn)生的摩擦力做功。

對比不同預緊扭矩下的試驗曲線可知，初始預緊扭矩增大，試件承載力不斷提高，初始扭矩增加1倍，試件承載力增加58.08 kN，提高了76.8%；對試件施加二次預緊后，其承載力提升均在10%以上，其中N-b試件承載力增加28.22 kN，二次預緊提升率達到了28.10%；N-c組相較于N-b組提升率降低，只有13.00%，與N-a組的提升率相近。

綜上，初始預緊扭矩是影響節(jié)點承載力的主要因素之一，初始預緊扭矩越大，試件承載力越高；同時對試件施加二次預緊也能夠起到增強承載能力的效果，但當初始預緊扭矩增大超過150 N·m時，二次預緊的提升效果將有所回落。

（2）不同搭接長度分析

選取每個對照組中的典型變化曲線，生成二次預緊措施下不同搭接長度條件下的承載力-位移曲線見圖6。將每個對照組數(shù)據(jù)進行平均取值，生成的二次預緊提升率見圖7。

由圖6和圖7可知：隨著搭接長度增大，試件承載能力不斷增強，搭接長度增加200 mm時，試件承載力增加34.12 kN，提高了36.9%；施加二次預緊后，各組試件承載力提升效果顯著，其中C-C試件承載力增加44.68 kN，二次預緊提升率達到了35.30%，且隨著試件搭接長度增加，提升效果未出現(xiàn)回落現(xiàn)象；C-A試件在CiDi（i=2，4，5）段承載力有所降低，說明此試件在后期變形過大，卡纜無法起到有效約束作用。

綜上，搭接長度是影響節(jié)點承載力的主要因素之一，試件搭接段越長，試件承載能力越強；對試件施加二次預緊也能夠起到增強承載能力的效果，且相對扭矩變量組未出現(xiàn)提升率回落的現(xiàn)象；在實際應用時要注意避免搭接段過短導致節(jié)點變形量過大卡纜失效的現(xiàn)象出現(xiàn)。

同時結(jié)合上述兩組試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相對于增加拱架搭接長度，增加節(jié)點預緊扭矩對于節(jié)點處承載能力的提高效果更加明顯，更有利于拱架整體穩(wěn)定性的增強；二次預緊措施能有效提升拱架承載能力；相比于不同初始扭矩，不同搭接長度試驗組中二次預緊的提升效果顯著，且二次預緊提升率未出現(xiàn)回落現(xiàn)象。

2 "數(shù)值試驗

采用Abaqus/CAD軟件開展數(shù)值模擬試驗研究，通過與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比，驗證試驗結(jié)果的可靠性，進一步補充分析二次預緊的影響規(guī)律。

2.1 "模擬概況

本次數(shù)值試驗在二次預緊措施下，以搭接長度、初始預緊扭矩作為研究變量，采用礦用U29型鋼的標準數(shù)據(jù)，在CAD軟件中繪制U29型鋼截面并導入Abaqus軟件，拉伸生成U型鋼部件。同理生成卡纜等其他部件，根據(jù)拱架構(gòu)造位置進行裝配，形成U型鋼拱架三維模型[18-20]。對卡纜螺母施加螺栓載荷，使試件節(jié)點處產(chǎn)生初始預緊扭矩，設(shè)置邊界條件，使U29型鋼模型試件不斷產(chǎn)生位移。

本節(jié)點數(shù)值模擬試驗螺栓的預緊力通過螺栓載荷施加，預緊力的加載時間為0.01 s，采用8節(jié)點C3D8R單元；型鋼之間以及型鋼與卡纜之間均采用面面接觸，摩擦系數(shù)為0.3，其余參數(shù)均與室內(nèi)試驗一致，所有接觸均采用硬接觸。

數(shù)值模擬方案設(shè)計了不同搭接長度和不同初始預緊扭矩2類試驗，具體方案見表2。數(shù)值試驗模擬過程與室內(nèi)試驗過程保持一致。首先施加外力使試件沿Z軸負方向移動50 mm，隨后重新設(shè)置卡纜螺母扭矩，繼續(xù)向Z軸負方向施加外力移動 " "50 mm，試驗結(jié)束，收集試驗數(shù)據(jù)并分析。

2.2 "數(shù)值試驗結(jié)果分析

（1）不同預緊扭矩分析

不同初始預緊扭矩條件下，數(shù)值試驗得到的應力云圖見圖8，二次預緊措施下的承載力位移見圖9，二次預緊提升率對比見圖10，承載力變化見圖11。

由圖8～圖11可知：U型鋼拱架卡纜節(jié)點最大應力主要分布在螺栓和卡纜處，兩端拱架應力較小而且分布均勻；當搭接長度相同，初始預緊扭矩為100 N·m時，U型鋼拱架卡纜節(jié)點的最大應力為409.1 MPa；初始預緊扭矩為200 N·m時，U型鋼拱架卡纜節(jié)點的最大應力為513.8 MPa。隨著初始預緊扭矩的增大，二次預緊螺栓荷載隨之增大。

當搭接長度相同時，初始預緊扭矩越大，型鋼產(chǎn)生相同位移所需載荷越大；在對數(shù)值模型施加二次預緊措施后，各組承載能力均有明顯提高，但各組承載力二次預緊提升率ζ不同。前四組試驗中ζ隨初始扭矩增大而增大，當初始扭矩增加到180 N·m時，ζ開始減小，說明提升效果將逐漸減弱；數(shù)值試驗與室內(nèi)試驗得出的關(guān)系曲線變化趨勢基本一致，二次預緊提升率誤差小于6%。

（2）不同搭接長度分析

不同搭接長度條件下，數(shù)值試驗得到的U型鋼拱架應力云圖見圖12，二次預緊措施下的承載力位移見圖13，室內(nèi)試驗與數(shù)值試驗二次預緊提升率及差異見圖14，預緊前后承載力與二次預緊提升率見圖15。

由圖12～圖15可知：初始扭矩相同，搭接長度為300 mm時，U型鋼拱架卡纜節(jié)點最大應力為429.1 MPa；搭接長度為400 mm時，U型鋼拱架卡纜節(jié)點最大應力為441.5 MPa；搭接長度500 mm，U型鋼拱架卡纜節(jié)點最大應力為432.4 MPa。同時對圖12中每組的最大應力情況進行分析，發(fā)現(xiàn)當初始扭矩相同，搭接長度不同時，3組數(shù)值模擬試驗結(jié)束時螺栓處的最大應力大小接近，當搭接長度變化時，螺栓處的應力變化過程并未發(fā)生明顯改變，說明搭接長度增加時兩段試件接觸面積產(chǎn)生的滑移阻力是影響最終承載能力結(jié)果的主要因素。

初始扭矩相同，搭接長度越長，產(chǎn)生相同的位移所需要的載荷越大；施加二次預緊措施后，不同搭接長度的數(shù)值模型承載能力均有明顯提高。數(shù)值試驗與室內(nèi)試驗得出的在不同搭接長度條件下承載力與位移的曲線變化趨勢基本一致，提升率誤差在5%以下，驗證了試驗結(jié)果可靠性。

由以上分析可知，不同扭矩條件下平均二次預緊提升率為17.8%，當初始預緊扭矩超過一定范圍時，二次預緊措施的提升效果將不再明顯。實際工程中，可定量施加150 kN左右的初始預緊力，以達到更加有效提升承載能力的效果。不同搭接長度條件下平均二次預緊提升率為23.24%，當搭接長度小于400 mm時，試件在受力后期出現(xiàn)失效現(xiàn)象。實際工程中，可使各節(jié)點搭接長度大于此值，以利于節(jié)點穩(wěn)定發(fā)揮承載能力。

結(jié)合試驗結(jié)果，對井下設(shè)計施工U型鋼拱架提出工程建議：在以上試驗所述有效提升范圍內(nèi)，適當增加搭接段長度和初始預緊扭矩有利于節(jié)點和拱架整體承載能力的提高；在搭接段卡纜初次滑移后及時進行二次預緊措施，預緊值可與初始預緊值相同。這些措施均可有效提高整體拱架的穩(wěn)定性。

3 "結(jié)論

（1）卡纜節(jié)點初始預緊扭矩越大，搭接段越長，拱架節(jié)點承載能力越強；與提高初始預緊扭矩相比，增加搭接長度更能避免試件初始的錯動位移，有效解決工程當中拱架安裝完成后的微小錯動所導致的受力不均問題。

（2）對節(jié)點施加二次預緊能有效提高拱架節(jié)點的承載能力。初始預緊扭矩超過160 N·m時，二次預緊提升效果不再明顯；相比于不同初始扭矩，不同搭接長度試驗組中二次預緊的提升效果顯著，且二次預緊提升率未出現(xiàn)回落現(xiàn)象。

（3）井下設(shè)計施工U型鋼拱架時，在有效提升范圍內(nèi)，選取合適搭接段長度和初始預緊扭矩；安裝過后及時進行搭接段卡纜松動后的二次預緊，可有效提高U型鋼拱架的承載能力，延長工作支架的使用壽命。

（4）本研究對二次預緊施加時機未設(shè)計方案進行研究，在何時施加二次預緊尚未有明確的標準，未來可在施加的合理時機及工程參數(shù)等方面進行進一步深入研究。

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