锚杆支护焊接钢筋网力学性能研究

孙志勇,林 健

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013)

锚杆支护焊接钢筋网力学性能研究

孙志勇,林 健

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013)

采用理论分析方法研究了焊接钢筋网受力和变形之间的关系,利用数值模拟方法分析了不同支护形式下钢筋网的承载和变形特征。给定 25kN载荷,得到了不同边界约束条件下钢筋网的最大变形值,以期为锚杆支护金属网的选择和施工提供依据。

焊接钢筋网;力学性能;支护形式;数值模拟

巷道支护系统中,有点、线、面,3个支护层次。锚杆、托板、钢带以及钢筋梯梁起到的是点和线的支护作用,而喷浆涂层和铺设金属网提供的是面支护作用。

金属网在 20世纪 50年代开始用于井下支护,巷道支护选用金属网的类型多种多样,包括焊接钢筋网、扩张金属网和编织网等[1]。其中焊接钢筋网应用最为广泛,这主要取决于其高刚度和高强度,前者阻止顶板破坏的围岩体不发生过大变形,后者保证钢筋不发生破断,对围岩的持续变形起到限制作用。

目前各种金属网的使用条件尚无明确的参考标准,缺乏对金属网几何参数、力学性能及支护机理的系统研究[2],造成现场的盲目滥用,施工质量不良。既不能保证使用金属网的效果,也有可能造成材料的浪费。

1 受力与变形分析

焊接钢筋网最重要的力学性质是钢筋的抗拉强度和焊接点的抗剪强度,如图 1所示。受顶板围岩载荷的影响,位于托板附近的钢筋除了受轴力外,还要承受弯矩、剪力以及规则网格的扭转变形。另外,煤岩体的不规则形状导致的网丝受力关系非常复杂。

图1 钢筋相对位置对焊接点受力影响

一般地,焊接钢筋网有 2种失效形式：强度失效和松垂失效[3]。在强度失效中,网结构发生破坏,根据破坏位置的不同可分为焊接点断裂、焊接点周围强度降低段断裂、钢筋其他段断裂。即使少数的焊接点发生破坏,网仍能继续承受附加载荷直到后两种破坏形式出现,尽管焊接点破坏并不意味着整张金属网的破坏,但在这些位置金属网的承载能力大大下降、几何形状改变以及上部载荷重新分布,必然加大网丝的变形量;松垂失效中,钢筋网的结构没有发生破坏,保持了较好的完整性。然而,由于刚度偏小导致金属网发生很大变形,在支护区域形成“网兜”,当下垂到一定极限时,认为金属网失效。

力学分析的原则：一是要满足力和力矩的平衡;二是满足网丝、网交叉点处移动和转动的位移协调。假设托板底部的钢筋承受绝大多数载荷且锚杆间的受力是对称的,钢筋的抗弯刚度较抗拉刚度较低,金属网的形状和受力如图 2所示。

金属网、托板、锚杆三者竖向平衡关系满足[4]：

得到钢筋张力 (Tw)和挠度 (d)之间的关系：

式中,n为托板底部钢筋的数目;a为锚杆的间距;Ws为载荷面积;L0为托板和载荷之间网丝的原长;d为钢筋的挠度;Tw为托板和载荷之间网丝的张力;Tb为锚杆的预紧力;Kw为托板与荷载之间钢筋的刚度;Ks为荷载边缘与荷载中心之间钢筋的刚度;Kp为托板处钢筋的抗滑移刚度;E为钢筋的弹模;fws为钢筋和荷载之间的摩擦系数。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型与模拟方案

金属网结构变化是三维问题,Thompson,A.G.[5]提出用数值模拟的方法来指导金属网设计。但三维数值计算很难满足金属网的真实受力状态,包括焊接点的强度、托板处金属网的相对滑移。另外,围岩 -金属网 -托板三者之间的摩擦力没有确切的数据,导致模拟结果与实际有偏差。

运用数值软件 ANSYS对焊接钢筋网的受力和变形进行模拟,计算过程中提出 2个假设：一是焊接点不发生破坏;二是围岩 -金属网 -托板三者不出现相对滑动,相邻界面认为是胶合的。

金属网的大小为 1000mm×1000mm,钢筋直径为 6mm,网孔为 100mm×100mm,锚杆间排距为800mm×800mm,假设顶板对金属网的载荷为25kN。采用等强硬化多线性弹塑性模型,beam4单元划分网格。材料的弹性模量 E=200GPa,泊松比μ=0.3,屈服强度Qs=448MPa,采用非线性大变形静态分析方法进行计算。

模拟方案：分别模拟焊接钢筋网在不同支护模式下的受力变形情况,其中图 3(a)为锚杆 +托板支护,图 3(b)为锚杆 +托板 +钢筋梯梁支护,图 3(c)为锚杆 +托板 +W型护板支护,图 3(d)为锚杆 +托板 +W型钢带支护。

图3 焊接钢筋网受力分析模型

2.2 数值模拟结果及分析

锚杆 +托板支护下网的变形如图 4(a)所示,锚杆 +托板 +钢筋梯梁支护下网的变形如图 4(b)所示,锚杆 +托板 +W型护板支护下网的变形如图 4(c)所示,锚杆 +托板 +W型钢带支护下网的变形如图 4(d)所示。

从图 4(a)中看出,锚杆 +托板支护下焊接钢筋网的整体变形比较显著。形成范围较大的“网兜”,占整个网片的 70%以上,网中心处钢筋下沉的最大挠度约为 75mm,边缘的最大下沉值约为 25mm。网片 4个角落位置网孔基本保持原来的形状,说明穿过托板底部的钢筋承受了绝大多数载荷,托板边角位置出现了很大的应力集中,此处的钢筋网丝很容易发生剪切破坏。

从图 4(b)中看出,锚杆 +托板 +钢筋梯梁支护下钢筋网的变形得到有效控制。“网兜”不明显,网中心处钢筋下沉的最大挠度约为 61.3mm,边缘的最大下沉值约为 13mm。梯梁与上方的网丝形成一个受力体,加大了金属网的抗弯刚度,与图4(a)相比,这些地方钢筋的变形下降 30%。

从图 4(c)中看出,锚杆 +托板 +W型护板的支护效果与图 4(a)基本差不多,网中心处钢筋下沉的最大挠度约为 61mm,边缘的最大下沉值约为 12mm。与前两者的区别在于W型护板与钢筋网丝是面接触,避免了点接触和线接触对网丝造成的剪切破坏。

从图 4(d)中看出,锚杆 +托板 +W型钢带支护下焊接钢筋网的变形量又进一步减小,“网兜”趋于平坦。网中心处钢筋下沉的最大挠度约为 58mm,边缘的最大下沉值约为 8mm,钢带同上方的网丝形成的受力体抗弯刚度与梯梁相比要大,这种支护形式下金属网的变形降低 1/4。

综合图 4中的 4张数值模拟图片,可以看出25kN的载荷施加在钢筋网内部形成了大小不等的“网兜”,随着边界约束条件的变化,其所形成“网兜”的形状和大小都随之变化,其中梯梁和W型护板支护下金属网的变形接近。但是继续增加构件的抗弯刚度,对抵抗金属网的变形作用不显著,有可能造成材料的浪费,如果顶板不稳定岩石载荷造成钢筋网变形过大,可以适当调整锚杆的间排距进行支护。

图4 钢筋网在不同支护模式下的变形矢量图

3 结论

(1)假设顶板载荷几乎全部由托板底部的钢筋承受,对金属网的受力和变形进行了简要分析。通过分析发现,锚杆支护焊接钢筋网的受力受钢筋直径、钢筋强度与刚度、托板 -钢筋 -顶板三者间的关系等诸多因素影响。

(2)给定 25kN载荷作用下,对不同支护形式下的钢筋网进行了数值模拟,通过计算分析,得到了不同约束条件下钢筋网的受力和变形量。研究发现,边界约束条件是影响钢筋网承载能力的重要因素之一。

(3)影响模拟结果准确性主要有 2个因素：一是焊接点破坏,二是托板处钢筋的相对滑移。两者主要取决于焊接质量和现场托板与金属网的安装质量。

[1]康红普,王金华,等 .煤巷锚杆支护理论与成套技术 [M].北京：煤炭工业出版社,2007.

[2]林 健,康红普 .煤矿锚杆支护构件精细化研究方向和趋势[J].煤矿开采,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.

[责任编辑：邹正立 ]

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

国家科技支撑计划项目 (2008AB3bB07);天地科技股份有限公司研发项目 (TZ-GY-2010-KC-b)

孙志勇 (1985-),男,山东潍坊人,硕士研究生,主要从事巷道支护研究。