虽然钢管混凝土拱架在巷道支护中的应用日益广泛,相关方面的试验研究日益完善,但到目前为止,暂无文献直接系统地对比研究相同用钢量条件下,圆形与方形截面钢管混凝土拱架的承载性能差异。而掌握不同截面形状拱架承载力差异,可为拱架选型设计提供依据,具有十分重要的科学意义和工程实践价值。本文以圆形与方形截面钢管混凝土拱架承载性能差异为研究目的,开展了室内试验和数值模拟,并结合理论分析开展了相关研究,得到了以下成果:(1)开展了钢材和核心混凝土材性试验,掌握了圆钢管、方钢管的平板区和弯角区的钢材力学性能,探讨了方钢管冷弯效应对钢材力学性能的影响,结果表明,冷弯效应使方钢管弯角区强度至少提高7.5%。(2)开展了圆形截面与方形截面钢管混凝土构件偏压、纯弯曲室内试验,直接对比分析了构件的截面承载力,得到了用相同钢量情况下,不同截面钢管混凝土构件承载性能异同,结果显示:相同加载条件下,圆形与方形截面钢管混凝土构件的荷载—轴向位移曲线整体发展趋势基本相同;圆形截面构件承载力均小于方形截面构件承载力,承载力差异随偏心距的增大,先增大后减小,偏心距分别为0、75mm、150mm、300mm时,方形截面比圆形截面极限承载力高3.69%、9.55%、18.93%、16.89%,方形截面构件极限弯矩承载力比圆形截面高11.27%。(3)基于室内试验结果,进行了数值模拟反演分析,得到了可用于构件、拱架的数值模拟处理技术与参数;考虑更多工况及影响因素对压弯试验进行了扩展研究,结合室内试验结果,得到了Mu-Nu统计曲线,进一步掌握了两种截面压弯承载性能差异;基于薄壁钢管混凝土承载理论修正,得到了钢管混凝土(厚壁)截面承载力计算公式;获得了钢管混凝土承载特性应力判据:当钢管应力状态达到钢材屈服强度时,构件承载力达到峰值。(4)开展了拱架数值模拟试验,分析了相同用钢量条件下,不同截面拱架承载性能差异,结果显示:直腿半圆形拱架中,高径比不同时,方形截面拱架承载力比圆形截面拱架承载力高0.81%～6.43%不等;尺度不同时,方形比圆形高2%～5%不等;侧压系数不同时,方形比圆形高1%～5.3%不等;圆形拱架中,圆形截面承载力普遍略高于方形截面,尺度不同时,圆形比方形高1%～4%不等,侧压系数不同时,两种截面拱架极限承载力基本相等,差值在0上下浮动。(5)工程实践中进行拱架截面选型设计时,从承载力角度比较,建议使用直腿半圆形拱架选择方形截面,圆形拱架优选圆形截面;从套管节点角度比较,圆形截面优于方形截面;从与围岩接触方面比较,优选方形截面。