基于锚杆构件力学性能研究

2021-03-03陆近涛朱家瑶蔡文杰

运输经理世界 2021年1期

陆近涛、朱家瑶、蔡文杰

（江苏工程职业技术学院建筑工程学院，江苏南通226007）

0 引言

为了切实加强锚杆构件的应用质量，相关部门针对其力学性能、支护效果进行了长达15年的系统性研究，进一步明确了锚杆形状与各项参数对实际固定效果的影响作用，并充分掌握了构件之间存在的适配性关系，为了确保相关指标满足设计需求，提高结构的合理性，首先需要对构件的各项力学性能进行深入分析。

1 锚杆杆体材料

1.1 杆体强度

通常来讲，结构相对复杂的巷道对于锚杆杆体的强度要求会更高，需要保证有效承受高负荷的外界作用力，为此，相关部门设计了一种巷道钢材，能够确保杆体材料符合超高强度的应用级别，其具体力学性能如表1所示。

表1 锚杆钢材力学性能参数

1.2 形变性能

锚杆杆体材料需要满足围岩形变的实际要求，不仅要保证当围岩向开挖方向移动时，锚杆能够保持一定的形变能力，还要确保各部位受力一致，避免折断现象产生，这就需要杆体本身可以在屈服状态下具有良好的承载效果，利用较高的伸长率，防止变形后出现破断。而表1 中的三种钢材型号伸长率都比同级别的钢材性能更加优良，在伸长率上进行了大幅度提升与优化，也因此能够满足巷道支护的实际应用需求[1]。

1.3 抗冲击性能

抗冲击性能即是在载荷作用下，材料吸收断裂功以及塑性形变功的能力，能够有效反杆体内部是否存在结构缺陷。一般来说，抗冲击性能的大小与材料的强度和塑性能力有关，提升二者的设计参数均可实现抗冲击性能的加强。而表1 中的三种钢材均在组成与配制上实现了大幅优化，切实减少了杂质占比，并通过热处理技术，进一步提升了加工效果，不仅能够加强钢材的抗冲击性能，还保证了冲击吸收功能的有效强化，使脆断现象产生的可能性大大降低。

2 锚杆杆体规格与形状

2.1 杆体形状

当前使用最广泛的螺纹钢锚杆的形状可分为左旋型、右旋型以及普通型，三者的锚固力存在一定差异性。普通螺纹钢虽然锚固力较大，但结构组成缺陷较为明显因此已逐渐被淘汰；而右旋型锚杆本身的锚固力较低，并且制备过程稍显复杂、螺纹螺距数值较高，难以保证锚杆具有足够的预紧力。因此当前应用效果最好的锚杆类型为左旋型，其左旋横肋能够促进锚固剂向锚杆端部移动，达到增强密实度的目的，使锚固力大幅度提升[2]。

2.2 杆体几何尺寸

以左旋型锚杆作为分析对象，其锚固效果与搅拌阻力受横肋的多项几何参数影响，为了确保锚杆能够切实发挥支护作用，需选取规格为BHRB500 左旋型螺纹钢作为实验材料，要求其直径为22mm、长度为400mm，并固定在长度为125mm 的钢管内，钢管内部不存在螺纹。根据多项试验数据表明：横肋高度降低时会导致搅拌阻力减小，不利于锚固剂搅拌效果的充分发挥；若横肋高度提升，则会降低锚杆的拉拔力，经过多次测试后可发现，当横肋高度为1.1mm 时，能够保证各项力学性能保持最佳；横肋间距增大时，锚杆拉拔力会以先增后减的形式变化，当间距保持在20～30mm 时，锚杆的搅拌阻力最小，且锚固效果最优；当锚杆安装时间为30S 时，横肋间距越大，锚杆的最大推力会呈递减的趋势发展；当间距为33mm 时，是最有利于锚杆快速安装与降低劳动强度的数值；横肋对锚杆搅拌扭矩的影响体现为，横肋间距的提升不仅会降低扭曲参数，还会延长扭转所需时间，当锚杆间距为33mm 时，能够保证锚杆锚固力最大化。

3 锚杆螺纹

3.1 受力状态

锚杆螺纹段的受力相对复杂，容易在与杆体连接的部分产生应力集中现象，导致结构脆断，为了避免此类状况发生，需要充分掌握螺纹段的应力特征。以煤矿产业普遍使用的螺纹尺寸M24×3 作为分析对象，利用建模软件模拟螺纹一端固定，另一端受弯曲、扭转等载荷作用的应力分布。根据分析结果可知，在载荷作用下，锚杆固定端出现高应力表现，应力大小高于材料本身的屈服强度，而在螺纹下表面的应力效果相对较低。由此可看出，螺纹的存在能够改变应力分布状况，即使螺纹段承受拉力高于屈服载荷，但内部已经产生曲屈服现象，因此一旦受力强度加深必然会导致锚杆脆断[3]。

3.2 规格与形状

螺纹锚杆的形状与规格需要与杆体材料的承载力相匹配。通常来说，其拉断载荷要大于母材的90%以上。因此在设计时需要保持螺纹段断面积与母材断面积保持一致，比如M20、M22、M24 型号的锚杆需分别对应直径为18mm、20mm、22mm 的母材。通过使用建模软件对不同形状、不同参数的螺纹进行受力测试，分析实际应力分布可知：其一，螺纹形状能够改变应力分布，锯齿形螺纹牙底应力较高，应力状态相对较差，而三角形、矩形螺纹的应力状态良好，但因为矩形螺纹的加工难度较高，所以大多煤矿产业会使用加工流程相对简洁、放松效果更优越的三角形螺纹作为锚杆材料；其二，当螺纹螺距逐渐减小时，其表面受力情况也会随之改变，牙底的高应力范围会进一步缩小；其三，当齿高数减少时，螺纹牙底的应力范围同样会降低，并产生应力集中弱化情况。因此，为了保证锚杆的高质量应用，可适当减少螺纹的齿高，实现应力状态的良好改善[4]。

3.3 加工工艺

锚杆螺纹加工效果不仅能决定承载力大小，还会直接影响预应力的转化系数。在加工时为了保证螺纹精度，通常会使用滚压工艺法，来解决以往加工过程中存在的材料表面粗糙，折叠、裂缝、流线分布不均等问题，避免螺纹在缺陷处产生应力集中现象，造成螺纹段断裂。

4 托板

4.1 力学性能试验

托板的力学性能试验主要是针对其承载能力、破坏特征进行的，在实验过程中需要选取多个生产厂家的托板，并在压力机上进行压缩测试，使托板底面与检测设备充分接触，研究承受载荷能力的大小，并分析形变状况。根据实验数据可知，托板本身的变形过程为：首先，托板底面会呈现压平状态，之后底面周边发生翘起，载荷速度明显增加；其次，当托板周边翘曲到环形面时，托板压缩量会达到峰值，但载荷的增长幅度会逐渐降低。

4.2 形状与尺寸

托板的实际尺寸与形状应遵循以下设计原则：第一，托板的钢板厚度分为6mm、8mm、10mm 三种，选择时可依照托板的承载能力大小进行使用；第二，托板底面大多呈现正方形，标准尺寸可分为150mm×150mm、120mm×120mm、100mm×100mm 三种，同样要根据托板承载力大小选择适合的底面尺寸，同时要保证底面平整；第三，拱的各项参数需满足相应要求，例如：对于规格为150mm×150mm、厚度10mm 的托板，其拱高需大于30mm；拱高直径与底边长的比例应为10∶7；拱的曲率半径与球窝参数要尽可能取最小值，并确保与球形垫圈相匹配。

5 垫圈

锚杆垫圈可细分为两类：一种是球形垫圈，多数用于调心并放置在球窝当中。其主要作用是调节锚杆角度，保证钻孔与巷道表面垂直，消除锚杆尾部存在的变形状况，确保锚杆的受力均衡。在设计时需要保证球形垫圈的强度与硬度能够与托板相匹配，防止相应部分受外力挤压导致结构变形，失去应用效果。此外在几何参数方面，要注意垫圈曲率与垫板球窝相互匹配，避免线性接触产生，确保两者能够实现相互转动，保证垫圈具有良好的调心能力。

6 螺母

螺母的作用可体现在：其一，向杆体施加一定程度的扭矩，提供锚杆预紧力；其二，将巷道产生的应力通过螺母传送到杆体，实现工作阻力的进一步提高。为了保证以上性能得到充分呈现，需要螺母的力学性能满足以下要求：一是螺母螺纹规格、参数、结构都要与杆尾匹配，确保其承载力高于杆体本身的承载力；二是螺母的加工精度需要有利于加强锚杆的预紧力与安装速度。