孫志勇,林 健

(煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013)

錨桿支護焊接鋼筋網(wǎng)力學性能研究

孫志勇,林 健

(煤炭科學研究總院開采設計研究分院,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系,利用數(shù)值模擬方法分析了不同支護形式下鋼筋網(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,以期為錨桿支護金屬網(wǎng)的選擇和施工提供依據(jù)。

焊接鋼筋網(wǎng);力學性能;支護形式;數(shù)值模擬

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

金屬網(wǎng)在 20世紀 50年代開始用于井下支護,巷道支護選用金屬網(wǎng)的類型多種多樣,包括焊接鋼筋網(wǎng)、擴張金屬網(wǎng)和編織網(wǎng)等[1]。其中焊接鋼筋網(wǎng)應用最為廣泛,這主要取決于其高剛度和高強度,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準,缺乏對金屬網(wǎng)幾何參數(shù)、力學性能及支護機理的系統(tǒng)研究[2],造成現(xiàn)場的盲目濫用,施工質量不良。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。

1 受力與變形分析

焊接鋼筋網(wǎng)最重要的力學性質是鋼筋的抗拉強度和焊接點的抗剪強度,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)格的扭轉變形。另外,煤巖體的不規(guī)則形狀導致的網(wǎng)絲受力關系非常復雜。

圖1 鋼筋相對位置對焊接點受力影響

一般地,焊接鋼筋網(wǎng)有 2種失效形式：強度失效和松垂失效[3]。在強度失效中,網(wǎng)結構發(fā)生破壞,根據(jù)破壞位置的不同可分為焊接點斷裂、焊接點周圍強度降低段斷裂、鋼筋其他段斷裂。即使少數(shù)的焊接點發(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)的結構沒有發(fā)生破壞,保持了較好的完整性。然而,由于剛度偏小導致金屬網(wǎng)發(fā)生很大變形,在支護區(qū)域形成“網(wǎng)兜”,當下垂到一定極限時,認為金屬網(wǎng)失效。

力學分析的原則：一是要滿足力和力矩的平衡;二是滿足網(wǎng)絲、網(wǎng)交叉點處移動和轉動的位移協(xié)調。假設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系滿足[4]：

得到鋼筋張力 (Tw)和撓度 (d)之間的關系：

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;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)結構變化是三維問題,Thompson,A.G.[5]提出用數(shù)值模擬的方法來指導金屬網(wǎng)設計。但三維數(shù)值計算很難滿足金屬網(wǎng)的真實受力狀態(tài),包括焊接點的強度、托板處金屬網(wǎng)的相對滑移。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),導致模擬結果與實際有偏差。

運用數(shù)值軟件 ANSYS對焊接鋼筋網(wǎng)的受力和變形進行模擬,計算過程中提出 2個假設：一是焊接點不發(fā)生破壞;二是圍巖 -金屬網(wǎng) -托板三者不出現(xiàn)相對滑動,相鄰界面認為是膠合的。

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,假設頂板對金屬網(wǎng)的載荷為25kN。采用等強硬化多線性彈塑性模型,beam4單元劃分網(wǎng)格。材料的彈性模量 E=200GPa,泊松比μ=0.3,屈服強度Qs=448MPa,采用非線性大變形靜態(tài)分析方法進行計算。

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

圖3 焊接鋼筋網(wǎng)受力分析模型

2.2 數(shù)值模擬結果及分析

錨桿 +托板支護下網(wǎng)的變形如圖 4(a)所示,錨桿 +托板 +鋼筋梯梁支護下網(wǎng)的變形如圖 4(b)所示,錨桿 +托板 +W型護板支護下網(wǎng)的變形如圖 4(c)所示,錨桿 +托板 +W型鋼帶支護下網(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型護板的支護效果與圖 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型護板與鋼筋網(wǎng)絲是面接觸,避免了點接觸和線接觸對網(wǎng)絲造成的剪切破壞。

從圖 4(d)中看出,錨桿 +托板 +W型鋼帶支護下焊接鋼筋網(wǎng)的變形量又進一步減小,“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型護板支護下金屬網(wǎng)的變形接近。但是繼續(xù)增加構件的抗彎剛度,對抵抗金屬網(wǎng)的變形作用不顯著,有可能造成材料的浪費,如果頂板不穩(wěn)定巖石載荷造成鋼筋網(wǎng)變形過大,可以適當調整錨桿的間排距進行支護。

圖4 鋼筋網(wǎng)在不同支護模式下的變形矢量圖

3 結論

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

(2)給定 25kN載荷作用下,對不同支護形式下的鋼筋網(wǎng)進行了數(shù)值模擬,通過計算分析,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)影響模擬結果準確性主要有 2個因素：一是焊接點破壞,二是托板處鋼筋的相對滑移。兩者主要取決于焊接質量和現(xiàn)場托板與金屬網(wǎng)的安裝質量。

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

[2]林 健,康紅普 .煤礦錨桿支護構件精細化研究方向和趨勢[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

國家科技支撐計劃項目 (2008AB3bB07);天地科技股份有限公司研發(fā)項目 (TZ-GY-2010-KC-b)

孫志勇 (1985-),男,山東濰坊人,碩士研究生,主要從事巷道支護研究。