基于錨桿構件力學性能研究

陸近濤、朱家瑤、蔡文杰

（江蘇工程職業技術學院建筑工程學院，江蘇南通226007）

0 引言

為了切實加強錨桿構件的應用質量，相關部門針對其力學性能、支護效果進行了長達15年的系統性研究，進一步明確了錨桿形狀與各項參數對實際固定效果的影響作用，并充分掌握了構件之間存在的適配性關系，為了確保相關指標滿足設計需求，提高結構的合理性，首先需要對構件的各項力學性能進行深入分析。

1 錨桿桿體材料

1.1 桿體強度

通常來講，結構相對復雜的巷道對于錨桿桿體的強度要求會更高，需要保證有效承受高負荷的外界作用力，為此，相關部門設計了一種巷道鋼材，能夠確保桿體材料符合超高強度的應用級別，其具體力學性能如表1所示。

表1 錨桿鋼材力學性能參數

1.2 形變性能

錨桿桿體材料需要滿足圍巖形變的實際要求，不僅要保證當圍巖向開挖方向移動時，錨桿能夠保持一定的形變能力，還要確保各部位受力一致，避免折斷現象產生，這就需要桿體本身可以在屈服狀態下具有良好的承載效果，利用較高的伸長率，防止變形后出現破斷。而表1 中的三種鋼材型號伸長率都比同級別的鋼材性能更加優良，在伸長率上進行了大幅度提升與優化，也因此能夠滿足巷道支護的實際應用需求[1]。

1.3 抗沖擊性能

抗沖擊性能即是在載荷作用下，材料吸收斷裂功以及塑性形變功的能力，能夠有效反桿體內部是否存在結構缺陷。一般來說，抗沖擊性能的大小與材料的強度和塑性能力有關，提升二者的設計參數均可實現抗沖擊性能的加強。而表1 中的三種鋼材均在組成與配制上實現了大幅優化，切實減少了雜質占比，并通過熱處理技術，進一步提升了加工效果，不僅能夠加強鋼材的抗沖擊性能，還保證了沖擊吸收功能的有效強化，使脆斷現象產生的可能性大大降低。

2 錨桿桿體規格與形狀

2.1 桿體形狀

當前使用最廣泛的螺紋鋼錨桿的形狀可分為左旋型、右旋型以及普通型，三者的錨固力存在一定差異性。普通螺紋鋼雖然錨固力較大，但結構組成缺陷較為明顯因此已逐漸被淘汰；而右旋型錨桿本身的錨固力較低，并且制備過程稍顯復雜、螺紋螺距數值較高，難以保證錨桿具有足夠的預緊力。因此當前應用效果最好的錨桿類型為左旋型，其左旋橫肋能夠促進錨固劑向錨桿端部移動，達到增強密實度的目的，使錨固力大幅度提升[2]。

2.2 桿體幾何尺寸

以左旋型錨桿作為分析對象，其錨固效果與攪拌阻力受橫肋的多項幾何參數影響，為了確保錨桿能夠切實發揮支護作用，需選取規格為BHRB500 左旋型螺紋鋼作為實驗材料，要求其直徑為22mm、長度為400mm，并固定在長度為125mm 的鋼管內，鋼管內部不存在螺紋。根據多項試驗數據表明：橫肋高度降低時會導致攪拌阻力減小，不利于錨固劑攪拌效果的充分發揮；若橫肋高度提升，則會降低錨桿的拉拔力，經過多次測試后可發現，當橫肋高度為1.1mm 時，能夠保證各項力學性能保持最佳；橫肋間距增大時，錨桿拉拔力會以先增后減的形式變化，當間距保持在20～30mm 時，錨桿的攪拌阻力最小，且錨固效果最優；當錨桿安裝時間為30S 時，橫肋間距越大，錨桿的最大推力會呈遞減的趨勢發展；當間距為33mm 時，是最有利于錨桿快速安裝與降低勞動強度的數值；橫肋對錨桿攪拌扭矩的影響體現為，橫肋間距的提升不僅會降低扭曲參數，還會延長扭轉所需時間，當錨桿間距為33mm 時，能夠保證錨桿錨固力最大化。

3 錨桿螺紋

3.1 受力狀態

錨桿螺紋段的受力相對復雜，容易在與桿體連接的部分產生應力集中現象，導致結構脆斷，為了避免此類狀況發生，需要充分掌握螺紋段的應力特征。以煤礦產業普遍使用的螺紋尺寸M24×3 作為分析對象，利用建模軟件模擬螺紋一端固定，另一端受彎曲、扭轉等載荷作用的應力分布。根據分析結果可知，在載荷作用下，錨桿固定端出現高應力表現，應力大小高于材料本身的屈服強度，而在螺紋下表面的應力效果相對較低。由此可看出，螺紋的存在能夠改變應力分布狀況，即使螺紋段承受拉力高于屈服載荷，但內部已經產生曲屈服現象，因此一旦受力強度加深必然會導致錨桿脆斷[3]。

3.2 規格與形狀

螺紋錨桿的形狀與規格需要與桿體材料的承載力相匹配。通常來說，其拉斷載荷要大于母材的90%以上。因此在設計時需要保持螺紋段斷面積與母材斷面積保持一致，比如M20、M22、M24 型號的錨桿需分別對應直徑為18mm、20mm、22mm 的母材。通過使用建模軟件對不同形狀、不同參數的螺紋進行受力測試，分析實際應力分布可知：其一，螺紋形狀能夠改變應力分布，鋸齒形螺紋牙底應力較高，應力狀態相對較差，而三角形、矩形螺紋的應力狀態良好，但因為矩形螺紋的加工難度較高，所以大多煤礦產業會使用加工流程相對簡潔、放松效果更優越的三角形螺紋作為錨桿材料；其二，當螺紋螺距逐漸減小時，其表面受力情況也會隨之改變，牙底的高應力范圍會進一步縮小；其三，當齒高數減少時，螺紋牙底的應力范圍同樣會降低，并產生應力集中弱化情況。因此，為了保證錨桿的高質量應用，可適當減少螺紋的齒高，實現應力狀態的良好改善[4]。

3.3 加工工藝

錨桿螺紋加工效果不僅能決定承載力大小，還會直接影響預應力的轉化系數。在加工時為了保證螺紋精度，通常會使用滾壓工藝法，來解決以往加工過程中存在的材料表面粗糙，折疊、裂縫、流線分布不均等問題，避免螺紋在缺陷處產生應力集中現象，造成螺紋段斷裂。

4 托板

4.1 力學性能試驗

托板的力學性能試驗主要是針對其承載能力、破壞特征進行的，在實驗過程中需要選取多個生產廠家的托板，并在壓力機上進行壓縮測試，使托板底面與檢測設備充分接觸，研究承受載荷能力的大小，并分析形變狀況。根據實驗數據可知，托板本身的變形過程為：首先，托板底面會呈現壓平狀態，之后底面周邊發生翹起，載荷速度明顯增加；其次，當托板周邊翹曲到環形面時，托板壓縮量會達到峰值，但載荷的增長幅度會逐漸降低。

4.2 形狀與尺寸

托板的實際尺寸與形狀應遵循以下設計原則：第一，托板的鋼板厚度分為6mm、8mm、10mm 三種，選擇時可依照托板的承載能力大小進行使用；第二，托板底面大多呈現正方形，標準尺寸可分為150mm×150mm、120mm×120mm、100mm×100mm 三種，同樣要根據托板承載力大小選擇適合的底面尺寸，同時要保證底面平整；第三，拱的各項參數需滿足相應要求，例如：對于規格為150mm×150mm、厚度10mm 的托板，其拱高需大于30mm；拱高直徑與底邊長的比例應為10∶7；拱的曲率半徑與球窩參數要盡可能取最小值，并確保與球形墊圈相匹配。

5 墊圈

錨桿墊圈可細分為兩類：一種是球形墊圈，多數用于調心并放置在球窩當中。其主要作用是調節錨桿角度，保證鉆孔與巷道表面垂直，消除錨桿尾部存在的變形狀況，確保錨桿的受力均衡。在設計時需要保證球形墊圈的強度與硬度能夠與托板相匹配，防止相應部分受外力擠壓導致結構變形，失去應用效果。此外在幾何參數方面，要注意墊圈曲率與墊板球窩相互匹配，避免線性接觸產生，確保兩者能夠實現相互轉動，保證墊圈具有良好的調心能力。

6 螺母

螺母的作用可體現在：其一，向桿體施加一定程度的扭矩，提供錨桿預緊力；其二，將巷道產生的應力通過螺母傳送到桿體，實現工作阻力的進一步提高。為了保證以上性能得到充分呈現，需要螺母的力學性能滿足以下要求：一是螺母螺紋規格、參數、結構都要與桿尾匹配，確保其承載力高于桿體本身的承載力；二是螺母的加工精度需要有利于加強錨桿的預緊力與安裝速度。

7 結語

綜上所述，通過對錨桿桿體材料、桿體規格與形狀、錨桿螺紋、托板、墊圈、螺母等構件的力學性能進行分析討論，推動錨桿材料與構件的開發創新，降低構件產生結構受損的可能性，充分發揮錨桿的支護能效，推動錨桿構件的大范圍使用，實現相關企業的進一步發展，促進經濟效益的大幅度提升。