孫志勇,林 健

(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013)

錨桿支護(hù)焊接鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能研究

孫志勇,林 健

(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013)

采用理論分析方法研究了焊接鋼筋網(wǎng)受力和變形之間的關(guān)系,利用數(shù)值模擬方法分析了不同支護(hù)形式下鋼筋網(wǎng)的承載和變形特征。給定 25kN載荷,得到了不同邊界約束條件下鋼筋網(wǎng)的最大變形值,以期為錨桿支護(hù)金屬網(wǎng)的選擇和施工提供依據(jù)。

焊接鋼筋網(wǎng);力學(xué)性能;支護(hù)形式;數(shù)值模擬

巷道支護(hù)系統(tǒng)中,有點(diǎn)、線、面,3個(gè)支護(hù)層次。錨桿、托板、鋼帶以及鋼筋梯梁起到的是點(diǎn)和線的支護(hù)作用,而噴漿涂層和鋪設(shè)金屬網(wǎng)提供的是面支護(hù)作用。

金屬網(wǎng)在 20世紀(jì) 50年代開始用于井下支護(hù),巷道支護(hù)選用金屬網(wǎng)的類型多種多樣,包括焊接鋼筋網(wǎng)、擴(kuò)張金屬網(wǎng)和編織網(wǎng)等[1]。其中焊接鋼筋網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛,這主要取決于其高剛度和高強(qiáng)度,前者阻止頂板破壞的圍巖體不發(fā)生過大變形,后者保證鋼筋不發(fā)生破斷,對(duì)圍巖的持續(xù)變形起到限制作用。

目前各種金屬網(wǎng)的使用條件尚無明確的參考標(biāo)準(zhǔn),缺乏對(duì)金屬網(wǎng)幾何參數(shù)、力學(xué)性能及支護(hù)機(jī)理的系統(tǒng)研究[2],造成現(xiàn)場(chǎng)的盲目濫用,施工質(zhì)量不良。既不能保證使用金屬網(wǎng)的效果,也有可能造成材料的浪費(fèi)。

1 受力與變形分析

焊接鋼筋網(wǎng)最重要的力學(xué)性質(zhì)是鋼筋的抗拉強(qiáng)度和焊接點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度,如圖 1所示。受頂板圍巖載荷的影響,位于托板附近的鋼筋除了受軸力外,還要承受彎矩、剪力以及規(guī)則網(wǎng)格的扭轉(zhuǎn)變形。另外,煤巖體的不規(guī)則形狀導(dǎo)致的網(wǎng)絲受力關(guān)系非常復(fù)雜。

圖1 鋼筋相對(duì)位置對(duì)焊接點(diǎn)受力影響

一般地,焊接鋼筋網(wǎng)有 2種失效形式：強(qiáng)度失效和松垂失效[3]。在強(qiáng)度失效中,網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,根據(jù)破壞位置的不同可分為焊接點(diǎn)斷裂、焊接點(diǎn)周圍強(qiáng)度降低段斷裂、鋼筋其他段斷裂。即使少數(shù)的焊接點(diǎn)發(fā)生破壞,網(wǎng)仍能繼續(xù)承受附加載荷直到后兩種破壞形式出現(xiàn),盡管焊接點(diǎn)破壞并不意味著整張金屬網(wǎng)的破壞,但在這些位置金屬網(wǎng)的承載能力大大下降、幾何形狀改變以及上部載荷重新分布,必然加大網(wǎng)絲的變形量;松垂失效中,鋼筋網(wǎng)的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞,保持了較好的完整性。然而,由于剛度偏小導(dǎo)致金屬網(wǎng)發(fā)生很大變形,在支護(hù)區(qū)域形成“網(wǎng)兜”,當(dāng)下垂到一定極限時(shí),認(rèn)為金屬網(wǎng)失效。

力學(xué)分析的原則：一是要滿足力和力矩的平衡;二是滿足網(wǎng)絲、網(wǎng)交叉點(diǎn)處移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的位移協(xié)調(diào)。假設(shè)托板底部的鋼筋承受絕大多數(shù)載荷且錨桿間的受力是對(duì)稱的,鋼筋的抗彎剛度較抗拉剛度較低,金屬網(wǎng)的形狀和受力如圖 2所示。

金屬網(wǎng)、托板、錨桿三者豎向平衡關(guān)系滿足[4]：

得到鋼筋張力 (Tw)和撓度 (d)之間的關(guān)系：

式中,n為托板底部鋼筋的數(shù)目;a為錨桿的間距;Ws為載荷面積;L0為托板和載荷之間網(wǎng)絲的原長(zhǎng);d為鋼筋的撓度;Tw為托板和載荷之間網(wǎng)絲的張力;Tb為錨桿的預(yù)緊力;Kw為托板與荷載之間鋼筋的剛度;Ks為荷載邊緣與荷載中心之間鋼筋的剛度;Kp為托板處鋼筋的抗滑移剛度;E為鋼筋的彈模;fws為鋼筋和荷載之間的摩擦系數(shù)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型與模擬方案

金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化是三維問題,Thompson,A.G.[5]提出用數(shù)值模擬的方法來指導(dǎo)金屬網(wǎng)設(shè)計(jì)。但三維數(shù)值計(jì)算很難滿足金屬網(wǎng)的真實(shí)受力狀態(tài),包括焊接點(diǎn)的強(qiáng)度、托板處金屬網(wǎng)的相對(duì)滑移。另外,圍巖 -金屬網(wǎng) -托板三者之間的摩擦力沒有確切的數(shù)據(jù),導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際有偏差。

運(yùn)用數(shù)值軟件 ANSYS對(duì)焊接鋼筋網(wǎng)的受力和變形進(jìn)行模擬,計(jì)算過程中提出 2個(gè)假設(shè)：一是焊接點(diǎn)不發(fā)生破壞;二是圍巖 -金屬網(wǎng) -托板三者不出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng),相鄰界面認(rèn)為是膠合的。

金屬網(wǎng)的大小為 1000mm×1000mm,鋼筋直徑為 6mm,網(wǎng)孔為 100mm×100mm,錨桿間排距為800mm×800mm,假設(shè)頂板對(duì)金屬網(wǎng)的載荷為25kN。采用等強(qiáng)硬化多線性彈塑性模型,beam4單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。材料的彈性模量 E=200GPa,泊松比μ=0.3,屈服強(qiáng)度Qs=448MPa,采用非線性大變形靜態(tài)分析方法進(jìn)行計(jì)算。

模擬方案：分別模擬焊接鋼筋網(wǎng)在不同支護(hù)模式下的受力變形情況,其中圖 3(a)為錨桿 +托板支護(hù),圖 3(b)為錨桿 +托板 +鋼筋梯梁支護(hù),圖 3(c)為錨桿 +托板 +W型護(hù)板支護(hù),圖 3(d)為錨桿 +托板 +W型鋼帶支護(hù)。

圖3 焊接鋼筋網(wǎng)受力分析模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

錨桿 +托板支護(hù)下網(wǎng)的變形如圖 4(a)所示,錨桿 +托板 +鋼筋梯梁支護(hù)下網(wǎng)的變形如圖 4(b)所示,錨桿 +托板 +W型護(hù)板支護(hù)下網(wǎng)的變形如圖 4(c)所示,錨桿 +托板 +W型鋼帶支護(hù)下網(wǎng)的變形如圖 4(d)所示。

從圖 4(a)中看出,錨桿 +托板支護(hù)下焊接鋼筋網(wǎng)的整體變形比較顯著。形成范圍較大的“網(wǎng)兜”,占整個(gè)網(wǎng)片的 70%以上,網(wǎng)中心處鋼筋下沉的最大撓度約為 75mm,邊緣的最大下沉值約為 25mm。網(wǎng)片 4個(gè)角落位置網(wǎng)孔基本保持原來的形狀,說明穿過托板底部的鋼筋承受了絕大多數(shù)載荷,托板邊角位置出現(xiàn)了很大的應(yīng)力集中,此處的鋼筋網(wǎng)絲很容易發(fā)生剪切破壞。

從圖 4(b)中看出,錨桿 +托板 +鋼筋梯梁支護(hù)下鋼筋網(wǎng)的變形得到有效控制。“網(wǎng)兜”不明顯,網(wǎng)中心處鋼筋下沉的最大撓度約為 61.3mm,邊緣的最大下沉值約為 13mm。梯梁與上方的網(wǎng)絲形成一個(gè)受力體,加大了金屬網(wǎng)的抗彎剛度,與圖4(a)相比,這些地方鋼筋的變形下降 30%。

從圖 4(c)中看出,錨桿 +托板 +W型護(hù)板的支護(hù)效果與圖 4(a)基本差不多,網(wǎng)中心處鋼筋下沉的最大撓度約為 61mm,邊緣的最大下沉值約為 12mm。與前兩者的區(qū)別在于W型護(hù)板與鋼筋網(wǎng)絲是面接觸,避免了點(diǎn)接觸和線接觸對(duì)網(wǎng)絲造成的剪切破壞。

從圖 4(d)中看出,錨桿 +托板 +W型鋼帶支護(hù)下焊接鋼筋網(wǎng)的變形量又進(jìn)一步減小,“網(wǎng)兜”趨于平坦。網(wǎng)中心處鋼筋下沉的最大撓度約為 58mm,邊緣的最大下沉值約為 8mm,鋼帶同上方的網(wǎng)絲形成的受力體抗彎剛度與梯梁相比要大,這種支護(hù)形式下金屬網(wǎng)的變形降低 1/4。

綜合圖 4中的 4張數(shù)值模擬圖片,可以看出25kN的載荷施加在鋼筋網(wǎng)內(nèi)部形成了大小不等的“網(wǎng)兜”,隨著邊界約束條件的變化,其所形成“網(wǎng)兜”的形狀和大小都隨之變化,其中梯梁和W型護(hù)板支護(hù)下金屬網(wǎng)的變形接近。但是繼續(xù)增加構(gòu)件的抗彎剛度,對(duì)抵抗金屬網(wǎng)的變形作用不顯著,有可能造成材料的浪費(fèi),如果頂板不穩(wěn)定巖石載荷造成鋼筋網(wǎng)變形過大,可以適當(dāng)調(diào)整錨桿的間排距進(jìn)行支護(hù)。

圖4 鋼筋網(wǎng)在不同支護(hù)模式下的變形矢量圖

3 結(jié)論

(1)假設(shè)頂板載荷幾乎全部由托板底部的鋼筋承受,對(duì)金屬網(wǎng)的受力和變形進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。通過分析發(fā)現(xiàn),錨桿支護(hù)焊接鋼筋網(wǎng)的受力受鋼筋直徑、鋼筋強(qiáng)度與剛度、托板 -鋼筋 -頂板三者間的關(guān)系等諸多因素影響。

(2)給定 25kN載荷作用下,對(duì)不同支護(hù)形式下的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過計(jì)算分析,得到了不同約束條件下鋼筋網(wǎng)的受力和變形量。研究發(fā)現(xiàn),邊界約束條件是影響鋼筋網(wǎng)承載能力的重要因素之一。

(3)影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性主要有 2個(gè)因素：一是焊接點(diǎn)破壞,二是托板處鋼筋的相對(duì)滑移。兩者主要取決于焊接質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)托板與金屬網(wǎng)的安裝質(zhì)量。

[1]康紅普,王金華,等 .煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[2]林 健,康紅普 .煤礦錨桿支護(hù)構(gòu)件精細(xì)化研究方向和趨勢(shì)[J].煤礦開采,2009,14(4)：1-4.

[3]Dolinar,D.R.Load capacity and stiffness characteristics of screen materials used for surface control in underground coal mines[J].25thInternational Conference on Ground Control in Mining,2006,152-158.

[4]Thompson A.G.,Windsor C.R.,Cadby G.W.Performance assessment of mesh for ground control applications[J].Rock Support and Reinforcement Practice in Mining,1999,119-130.

[5]Tannant,D.D.Load capacity and stiffness of welded wire,chain link and expanded metal mesh[J].Chapter 46 in Surface Support in Mining,2004,387-390.

[責(zé)任編輯：鄒正立 ]

Mechanical Characteristic of Steel Fabric Welded to Anchored Bolt

SUN Zhi-yong,LIN Jian
(Coal Mining&Designing Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Theoretical method was applied to obtaining the relationship bet ween force and deformation of welding steel fabric and numerical simulation was used to analyze load bearing and deformation characteristic of steel fabric under different supporting types.Given 25kN load,maximum deformation value of steel fabric was obtained under different boundary conditions.Results might provide reference for selection of steel fabric in design of anchored bolt.

welding steel fabric;mechanical characteristic;supporting type;numerical simulation

TD353

A

1006-6225(2011)01-0014-03

2010-08-25

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2008AB3bB07);天地科技股份有限公司研發(fā)項(xiàng)目 (TZ-GY-2010-KC-b)

孫志勇 (1985-),男,山東濰坊人,碩士研究生,主要從事巷道支護(hù)研究。