锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V o l - 4 5N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 原贵阳，孙志勇，李建忠．锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 2 5 5 6 5 6 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 9 ．1 2 6 5 Y U A NG u i y a n g ，S U NZ h i y o n g ，L IJ i a n z h o n g ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nr e i n f o r c e m e n te Ⅱ e c to f b o l ts u p p o nc o m p o s i t e m e m b e r so nr e i n f o r c e dm e s h [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 2 5 5 6 5 6 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ． 2 0 1 9 ．1 2 6 5 锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究 原贵阳1 ’2 ⋯，孙志勇2 ，李建忠2 ’3 1 ．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京l o 0 0 1 3 ；3 ．煤炭资源高效开采与洁净利 用国家重点实验室，北京1 0 0 0 1 3 摘要针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题，对高地应 力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、w 型钢带3 种组合系统在垂直载荷作用下的 力学性能进行实验室测试，分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统峰值强度、承载刚度、残余 强度及卸压程度的影响规律，得到了锚杆支护组合构件对钢筋网支护效应的加固特征。借助A n s y sw o r k b e n c h 软件分析钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的整体位移变形量，得到了锚杆支护组 合构件对钢筋网横向、纵向股线的位移约束差异性。基于锚杆支护组合构件对钢筋网的不对称加 固特征及边界网丝概念的提出，探讨了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统的加固机理。结果表 明①钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的承载性能可分为峰前承载区与峰后卸压区，w 型钢带 对钢筋网支护系统的强度强化作用是钢筋托梁的1 ．5 倍，刚度强化作用是钢筋托梁的3 倍。②锚 杆支护组合构件对钢筋网的横向股线加固作用大于纵向股线加固作用，横向股线抗变形阻力分为 垂直和水平两个分量，垂直分量由边界网丝与锚杆支护组合构件提供，水平阻力大小取决于边界网 丝及焊接点剪切强度。③锚杆支护组合构件通过提高垂直约束作用、护表面积及护表区域内系统 的抗变形能力增加钢筋网的支护强度与刚度。 关键词锚杆支护组合构件；钢筋网；加固作用；边界网丝；护表区域 中图分类号T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 5 5 6 1 2 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nr e i 山r c e m e n te f f e c to fb o l ts u p p o r tc o m p o s i t e m e m b e r so nr e i n f l o r c e dm e s h Y U A NG u i y a n 9 1 2 ⋯，S U NZ h i y o n 9 2 ，L IJ i a n z h o n 9 2 3 1 ．肘沅增』m m 眦e ，伽i 眦c o 酬月∞眦r c 危』瑚t 如u 把，B e 蚵昭1 0 0 1 3 ，吼i 舭；2 ．C 0 酬肘洲昭Ⅱ删抛塘w i n g 上却o n 恍眦，Y 缸州f 曲m ’e ＆7 匆曲加f 嘴‘幻．， 厶d ．，＆咖曙1 0 0 0 1 3 ，吼讥o ；3 ．s 组纪 毋k 6 0 m 细，yo 厂‰f 胁h 魄’n 以c 拈Ⅱn 抚i f 妇痂，l ，＆折增 1 0 0 0 1 3 ，傩打m A b s t r a c t I nv i e wo ft h ef a i l u r eo fm e t a lm e s hc a u s e db yt h el a 曙ed e f o m a t i o no fs u Ⅱ．0 u n d i n gr o c ki nt h eh i g hs t r e s s m a d w a yo fd e e pm i n e ，t h em e c h a n i c a lp e d ’o H n a n c eo ft h et h r e ec o m b i n e ds y s t e m s ，i ．e ．w e l d e dm e s h ，s i n 斟eb o l t ，s t e e l j o i s ta n dWs t e e ls t r i p ，w h i c ha r ec o m m o n l yu s e di nt h eh i g hs t r e s sr o a d w a ys u p p o r t ，i st e s t e di nt h el a b o m t o r yu n d e r t h ev e r t i c a ll o a d ，a n dt h ep e a kv a l u eo ft h ec o m b i n e dc o m p o n e n t so fb o l ts u p p o r tt ot h ew e l d e dm e s hs u p p o r ts y s t e mi s a n a l y z e d ．T h el a wo ft h ei n n u e n c eo ft h ep e a k V a l u es t r e n 殍h ，b e a r i n gs t i f m e s s ，r e s i d u a ls t I ℃n 殍h a n dt h ed e g r e eo f p r e s s u I ℃r e l i e fi so b t a i n e d ．W i t ht h eh e l po fA N S Y SW o r k b e n c hs o f t w a r e ，t h ed i s p l a c e m e n ta n dd e f b n n a t i o no ft h e 收稿日期2 0 1 9 一0 9 一l l修回日期2 0 1 9 1 2 2 3责任编辑常琛 基金项目中国煤炭科工集团人才与条件基金资助项目 2 0 1 8 R G 0 0 1 ；开采设计事业部青年基金资助项目 1 J 一2 0 1 8 一T D K c z L 1 4 作者简介原贵阳 1 9 9 4 一 ，男，山西长治人，硕士研究生。E m a i l 1 1 8 5 4 1 3 0 0 7 q q ．c o m 万方数据 第2 期 原贵阳等锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究 5 5 7 w h o l ew e l d e dm e s hs u p p o r ts y s t e mu n d e rt l l ev e r t i c a ll o a da r ea n a l y z e d ，a n dt I l ed i l 瞻r e n c eo ft h ed i s p l a c e m e n tc o n - s t r a i n to ft h ec o m b i n e dc o m p o n e n t sf o rb o l ts u p p o r to nt h et r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a ls t r a n d so ft h ew e l d e dm e s hi s o b t a i n e d ．B a s e do nt h ec o n c e p to fb o u n d a r ym e s hw i r ea n dt h ea s y m m e t r i cr e i l l f b r c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fb o l ts u p p o r t c o m p o s i t em e m b e r st ow e l d e dm e s h ，t l l er e i l l f b r c e m e n tm e c h a n i s mo fb o l ts u p p o nc o m p o s i t em e m b e r st ow e l d e dm e s h s u p p o r ts y s t e mi sd i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tQ t h eb e a r i n gc 叩a c i t yo ft h ew e l d e dm e s hs u p p o r ts y s t e mu n d e rt h e V e n i c a ll o a dc a nb ed i V i d e di n t op r e p e a kb e a l i n ga 托aa n dp o s t - p e a kp r e s s u r er e l i e fa r e a ．T h es t r e n g t hs t r e n g t h e n i n g e f f e c t o fWs t e e ls t r i po nt h ew e l d e dm e s hs u p p o r ts y s t e mi s1 ．5t i m e so ft h a to ft l l es t e e lj o i s t ，卸dt h er i g i d i 哆 s t r e n g t h e n i n ge f ．f e c ti s3t i m e so ft h a to ft h es t e e lj o i s t ．②T I h et r a n s v e r s es t r a n dr e i n f o r c e m e n te 珏．e c to ft h eb o l ts u p p o r t c o m p o s i t ec o m p o n e n ti sg r e a t e rt l l a nt h a to ft h el o n 舀t u d i n a ls t r a n dr e i n f o r c e m e n t ．T h et 啪s v e r S es t r a n dr e s i s t a I I c et o d e f o m a t i o ni sd i v i d e di n t ov e n i c a Ja n dh o “z o n t a lc o m p o n e n t s ．T h ev e r t i c a lc o m p o n e n ti sp r o v i d e db yt h eb o u n d a r y m e s hw i r ea n dt h eb o l ts u p p o nc o m p o s i t ec o m p o n e n t ．T h eh o r i z o n t a lr e s i s t a n c ed e p e n d so nt h eb o u n d a r ym e s hw i r e a n dt h es h e a rs t l ．e n g t l lo ft h ew e l d i n gp o i n t ．③T h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h ew e l d e dm e s hs u p p o r ta r ei n c r e a s e db y i n c r e a s i n gt h eV e r t i c a lr e s t r a i n t ，t h es u d ’a c ea r e aa n dt h ea n t i - d e f o 珊a t i o na b i l i t yo ft h es y s t e mi nt h es u 矗a c ea r e a ． 1 【e yw o r d s b o l ts u p p c I nc o m p o s i t eI n e m b e r ；r e i n f o r c e m e n tm e s h ；r e i n f b r c e m e n tm e c h a I l i s m ；b o u n d a r ym e s h ；w a t c ha r e a 地下工程中的岩体由于巷道开挖产生卸荷作用， 并在复杂地应力作用下开始向巷道空间产生扩容变 形，进而在巷道周边形成破碎的围岩承载区⋯。对 巷道表面破碎围岩的支护是保证矿井安全高效生产 的重要举措。为此，康红普院士提出了高预紧力锚杆 配合金属网及锚杆支护组合构件控制巷道围岩变形 破坏的支护理念呤J 。其研究团队通过对锚杆杆体、 钢带、螺母、垫圈、托盘、金属网等构件进行精细化研 究，完善了锚杆支护系统，提高了我国煤矿巷道安全 及围岩控制水平七J 。 金属网作为锚杆支护系统中的重要护表构件， 能将锚杆点支护转化为面支护，有效扩散锚杆预应 力场M J ，控制锚杆间破碎岩体的冒落。为此，国外 以澳大利亚、美国、加拿大、南非为代表的众多学者 对其力学性能进行了大量的研究工作。最早对金 属网进行的测试始于1 9 8 3 年南非学者O R T L E P P 【7 J 所做的实验室试验及加拿大学者P A K A L N I S 【8 1 进行 的现场原位测试，两项研究表明金属网的网丝交叉 点或附近区域为整体支护薄弱环节，金属网极易在 此处发生结构破坏或材料损伤。随后澳大利亚科 庭大学及美国职业安全健康协会对金属网进行了 大量的实验室试验及数值模拟研究。澳大利亚科 庭大学【9 。1 训设计静载实验设备测试钢筋网与菱形 网在垂直载荷作用下的力学响应特征，研究表明菱 形网的柔性对顶板围岩产生一定“让压”作用，能有 效控制顶板围岩冒落；美国D 0 u N A R 【1 1 - 1 2 1 分析了 托盘的材质、面积以及锚杆预紧力对钢筋网支护系 统的影响规律，并提出了衡量钢筋网支护刚度的计 算公式；T H O M P S O N 等3 。‘4 1 同时考虑了锚杆间排 距、预紧力、加载方向以及金属网安装角度对金属 网承力性能的影响规律；S H A Nz h e n j u n 【l 副研究了网 丝直径、施载压力盘面积对金属网承力性能的影 响；P O T V I N 和G I L E S 【I 刮研究了金属网尺寸效应对 力学性能的影响规律；T I M O T H Y 【1 7 1 通过布置在6 个不同位置的压力盘同时对大尺度钢筋网进行加 载，研究巷道顶板同时出现多点鼓包时金属网的变 形规律。国内对金属网的研究成果较少，林健、孙 志勇引认为金属网将单根锚杆的点支护作用转化 为面支护作用，有效提高支护系统对围岩的整体支 护作用；葛凤忠纠从金属网自身的角度出发，探索 网孔大小、网丝直径等参数对金属网支护系统力学 性能的影响规律。 以上研究从不同角度对金属网的力学性能进行 测试，有力地推动了锚杆支护护表构件金属网的研究 进展。但是，关于金属网的研究还集中在承力性能及 抗变形能力等力学性能的测试，对于金属网与不同锚 杆支护组合构件之间的匹配选型问题研究成果较少。 笔者采用实验室试验、数值模拟及理论分析相结合的 方法对目前煤矿深井高地应力巷道支护常用的钢筋 网在单体锚杆、钢筋托梁、w 型钢带3 种支护方式下 的力学性能进行垂直载荷试验，分析不同锚杆支护组 合构件对钢筋网支护能力的加固作用，以期为煤矿巷 道锚杆支护设计中钢筋网与锚杆支护组合构件的选 取提供新思路。 1 支护构件分类及破坏方式 目前，煤矿巷道锚杆支护中常用的组合构件主要 有两种钢带与钢筋托梁。其中钢带包括平钢带、W 型钢带、M 型钢带等形式，w 型钢带由于其护表面积 大，抗弯刚度大，而且经过滚压成型，具有更高的承载 万方数据 5 5 8 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 能力，在煤矿巷道支护设计中得到大面积推广。钢筋 托梁宽度窄、护表面积小、刚度低，但因其加工方便、 重量低、施工方便等优点，适用于地质条件比较简单 的巷道支护P ”。。 现场使用的金属网主要包括钢筋网、经纬网、菱 形网3 种类型口⋯。3 种金属网之问主要的差别为网 丝之间的连接方式与网孔形状，经纬网由8 号铁 丝 直径4m m 经过编织而成，纵向网丝与横向网丝 之间无约束作用。菱形网由扁螺旋状网丝逐根缠绕 而成，网格呈菱形结构，此种网具有一定的厚度，柔性 好、承载能力强、可折叠和任意拆装，使用较为方便， 现在已逐步取代经纬网。钢筋网通常由直径为 6 ．5m m 的钢筋焊接而成，钢筋之间连接牢固，不易发 生破断，此种网强度高、刚度大、整体性能好，广泛应 用于深井高地应力巷道支护口2 I 。 金属网相比于锚杆，支护能力较弱，为增加其承 载能力，现场一般使用金属网配合w 型钢带、钢筋托 梁两种锚杆支护组合构件对巷道围岩进行支护，以期 控制巷道围岩变形。支护系统在发挥支护效应的同 时，自身受力较为复杂，破坏方式多样。 井下金属网的变形破坏方式主要分为两类强 度失效与松垂失效。14 I 。松垂失效是指金属网本身 结构没有发生破坏，在承受上部载荷的同时，由于 “网兜”变形量较大，严重影响巷道使用及行人安 全，失去了支护的意义，判定为支护失效。强度失 效是指金属网支护系统自身的结构发生破坏，支护 刚度瞬间降低，破碎围岩从金属网破坏部位向巷道 空问大量流落，影响巷道空间的使用安全。造成金 属网支护系统强度失效的原因主要分为边界绑丝 破坏、金属网变形破断以及组合构件剪切破坏3 种 形式。图1 分别为金属网支护系统的失效现场观 沏I 图。 松垂失效强度失效 绑丝破断强度失效 组合构件剪切 图1金属网支护系统变形破坏形式 F i g ．1 D e f o r m a t i o l la n df a i l u r ef o r m so fm e t a l m e s l ls u p p o r t i n gs y s t e m 2 钢筋网支护系统实验室试验 为了探究w 型钢带、钢筋托梁两种锚杆支护组 合构件对钢筋网的加固作用，依据现场支护系统的安 装方式搭建了金属网力学性能试验台，利用油缸的伸 出量模拟现场围岩的变形。 2 ．1 金属网破坏试验装置 测试所用设备由施载装置、测力装置及试验支撑 装置3 部分组成，如图2 所示。试验台采用手动式液 压千斤顶对金属网施加载荷，施载圆盘为直径为 2 5 0m m 的圆形钢板，为了避免圆形钢板边缘对金属 网造成材料损伤，对圆盘边缘进行坡口处理，同时金 属网与加载盘之间布置两层圆形柔性皮带。在金属 网的边界通过煤矿常用的联网绑丝与试验台支承框 架按照一定的绑丝间距逐段建立联结关系。 试验时将待测金属网安装到试验支撑台上，按照 顺序分别安装组合构件、托板、球垫、尼龙垫片和螺 母，将锚杆的预紧扭矩加到4 0 0N m 。载荷施加范 围为钢筋网中心直径为2 5 0m m 的圆形区域。通过 手动液压泵对金属网施加载荷，当“网兜”中心处的 蘧；二2 愿 l 一锚杆；2 一高强度螺母；3 一调心球垫； 仁拱形托板；5 一试验支撑台；6 一钢筋网； 7 一施载圆盘；8 一液压千斤顶；9 一载荷传感器 图2 金属I 碉破坏试验台 F i g ．2 M e t a lI n e s hd a I n a g et e s tb e n c h 位移达到预定值时，记下压力表的读数，并换算为相 应的承载能力。最后，对试验采集的多组数据进行统 计分析，进一步得到金属网的载荷一位移曲线。 2 ．2 材料参数及试验过程 分别对钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、w 型钢 带形成的3 种支护系统在垂直载荷作用下的力学响 应特征进行测试，测试过程如图3 所示。钢筋网、钢 筋托梁及w 型钢带参数见表1 。由于井下使用的钢 带及托梁型号过多，本试验中选用了井下最常用的2 种型号，材料参数见表2 怛⋯。 万方数据 第2 期原贵阳等锚杆支护组合构件对钢筋网加Ⅲ作用试验研究 5 5 9 图3钢筋网匹配不同锚杆支护组合构件实验室试验 F i g ．3I 。a b o r a l o r yt e s to fs t e e ln l e s hn l a t 1 h i J l gd i f k r e n fb o l ts u p p o r tc o m p o s i t ec 1 n l p o l l e n t s 表1 钢筋网材料参数 T a b l elM a t e r i a lp a r a m e t e r st a b l eo fr e i n f o r c e m e n tm e s h 表2 锚杆支护组合构件材料参数 T a b l e2M a t e r i a lp a r a m e t e rt a b l eo fb o l ts u p p o r t c o m p o s i t em e m b e r s m 【1 1 试验过程中，随着载荷的施加，支护系统不断产 生“网兜”状变形，分别记录3 种支护方式下钢筋网 边界绑丝首次断裂时支护系统的承载能力及对应位 移、整体峰值载荷及对应位移、支护失效总体变形量 5 类指标，测试结果见表3 。 表3 试验测试结果统计 T a h l e3S t a t i s t i c a lt a b l eo ft e s tr e s l l n s 支护 首次绑丝断裂 极限承载极限承载力总变形 形式 载荷／k N位移／n ” 能力／k N 对应位移／m n ，量／m m 将3 次试验中所记录的载荷位移数据对进行曲 线拟合，进一步得到3 种支护系统在垂直载荷作用下 的载荷一位移曲线，如图4 所示。 2 ．3 试验结果分析 由3 种钢筋网支护系统载荷一位移曲线可知，支 护系统承力性能以峰值强度为分界线，分为峰前承载 区和峰后卸压区。峰前承载区内，载荷呈现总体上升 趋势，其中单体锚杆组合系统和钢筋托梁组合系统中 曲线于峰前承载区内出现不同次数的“跌落”。w 型 钢带组合系统中，载荷于峰前承载区内呈现单调上升 Z ≤ 坦 搭 位移／m m a 铡筋网加托盘 位移／m m b 钢筋网加钢筋托梁 位移／m m c 钢筋I 叫加w 型钢。Ⅲ 图4 钢筋网加W 型钢带 F i g ．4 R e i n f b r c e l l l e n ln l e s hp l u sW s h a p e 1s f e e ls t “p 趋势，峰后阶段由于支护系统结构的不稳定，具体表 现为边界绑丝脱扣、钢筋网焊接点剪切破坏、网丝拉 伸破断以及托盘下部金属网的滑移造成曲线出现大 幅度上下波动趋势，呈现出“锯齿”状特征。在外部 载荷作用下，支护系统出现不同程度的损伤，每一次 结构破坏都会造成承载能力的急剧下降，而后支护系 统会继续调整自身受力状态，使其朝着最大承载能力 方向发展。该特征在曲线上表现为上下波动的“锯 齿”状变化特征，所以称其为峰后卸压区川。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 2 ．3 ．1 峰前强度及刚度分析 由测试结果可知，钢筋网于单体锚杆、钢筋托 梁、w 型钢带3 种不同组合方式下峰值承载能力分 别为1 0 ，15 ．5 ，18 ．3k N 。钢筋托梁、w 型钢带相比 于单体锚杆，支护强度提高5 5 ％，8 3 ％，w 型钢带对 钢筋网的强度加固作用是钢筋托梁的1 ．5 倍。实 验室变形效果显示，钢筋网主要的垂直变形集中在 加载中心区域，位于W 型钢带以及钢筋托梁下的网 丝由于锚杆支护组合构件的护表作用，垂直变形量 较小，支护系统变形效果如图5 所示。在无锚杆支 护组合构件护表区域内的金属网主要变形方式为 垂直位移变形，位于锚杆支护组合构件护表区域内 的钢筋网主要变形方式为轻微的水平滑动。钢筋 网出现水平滑动是由于锚杆预紧力施加不够以及 边界绑丝强度失效，导致锚杆托盘、钢筋网、试验台 3 者在锚杆预紧力作用下产生的摩擦力小于钢筋网 由于加载中心垂直变形对边界固定点产生的拉力。 钢筋网的整体“网兜”变形由可变形区域的垂直变 形以及锚杆支护组合构件加固区域内的水平滑移 变形组合而成。 钢筋网配合单体锚杆 钢筋网配合钢筋托梁钢筋网配合w 型钢带 图5钢筋网支护系统变形效果 F i g ．5 D e “ r n l a t i o ne f k c to fs f e e ll n e s hs u p p o r ts y s t cr 1 1 支护系统的支护刚度是衡量钢筋网在承受上覆 变形及破碎围岩载荷时，表现出的初始承载强度。刚 度较大的支护系统，可以将上覆破碎围岩的“预冒 落”状态转变为“镶嵌”结构，使其仍处于顶板大结构 当中，与周边稳定围岩铰接形成新的承载结构，防止 顶板围岩的进一步恶化。因此，支护系统的支护强度 与支护刚度相比于其他指标具有更高的实用价值。 由于本文中所采用的3 种支护系统本质上为锚杆支 护组合构件对钢筋网支护系统的加固强化，参考美国 学者D o l i n a r 所提出的金属网刚度计算方法，具体计 算方式如式 1 所示。1 。 K L d L 2 。， ／ D 。J D 2 0 1 式中，K 为钢筋网支护系统支护刚度；L k 分别为 钢筋网支护系统的峰值载荷与2 0 ％峰值载荷；D D 。分别为2 种载荷对应的位移值。 钢筋网支护系统在油缸加载初期，力学响应特征 受钢筋网预张力的影响较大，不同的预张力导致支护 系统于加载初期表现出不同的支护刚度。12 ，为减小 预张力对钢筋网支护系统刚度的影响，选取2 0 ％峰 值强度点作为曲线的“补偿点”。经计算可得，3 种不 同加固方式下钢筋网支护系统的刚度分别为6 8 ，8 9 ， 1 4 0k N ／m 。钢筋托梁、w 型钢带相比于单体锚杆加 固作用提高了3 0 ．9 ％，1 0 5 ．9 ％，w 型钢带对钢筋网 的刚度加固作用为钢筋托梁的3 倍。 2 ．3 ．2 峰前卸压分析 对比3 种钢筋网支护系统载荷一位移曲线中的 峰前承载区域，钢筋网配合单体锚杆支护于峰前承 载区内出现一次“卸压”，钢筋托梁支护于峰前承载 区内出现多次“卸压”。W 型钢带支护于峰前承载 区内不出现卸压现象。通过试验结果观测，曲线出 现首次“跌落”均是由钢筋网四周的绑丝脱扣破断 造成的，由此可知，边界绑丝强度严重制约钢筋网 支护系统的承力性能。结合峰值强度及刚度进行 分析，由于钢筋托梁对钢筋网的刚度加固作用较 小，在提高钢筋网支护强度的同时未能将钢筋网的 卸压情况控制在峰前承载区之外。由于w 型钢带 同时对钢筋网的强度和刚度加固作用较大 强度加 固作用为钢筋托梁的1 ．5 倍，刚度加固作用为钢筋 托梁的3 倍 ，在载荷一位移曲线上表现为将支护系 统的峰值承载点沿l ，轴正向与x 轴负向进行移动， 将卸压事件控制在峰前承载区外，即可以保证在支 护系统四周绑丝以及钢筋网自身结构未出现破坏 的情况下达到峰值强度。这种承载特性有助于巷 道围岩控制，可在支护系统结构发生破坏之前，承 力性能达到最大值，有效避免上部破碎围岩的冒 落， ．．由此分析可得，钢筋托梁可以提高钢筋网的支 护强度，在提高钢筋网支护强度的同时，也加剧了 峰值承载能力对应的位移量，降低了钢筋网支护系 统的支护刚度增量，是一种以牺牲刚度为代价的强 度增强模式。相比于钢筋托梁，w 型钢带可以同时 大幅度增加支护系统的支护强度与支护刚度，将钢 万方数据 第2 期原贵阳等锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究 5 6 1 筋网的绑丝及结构破断控制在峰前承载区外。峰 前承载区内，可以保持支护系统持续承载直至承载 极限。因此，w 型钢带配合钢筋网具有更高的实用 意义及应用价值。 2 ．3 ．3 峰后卸压及残余支护强度分析 不同的钢筋网支护系统于峰后力学特性主要表 现为残余强度与卸压程度两个指标6 | 。残余强度是 指载荷一位移曲线于峰后阶段的承力最高值，代表支 护系统在经过大范围结构损伤之后还可以承载的最 大值。卸压程度是指峰后载荷一位移曲线上下波动 幅度及次数，波动幅度越大、次数越多，说明支护系统 于峰后阶段自身结构破坏程度越严重，越不利于现场 支护，表现形式为支护系统边界绑丝大规模脱扣、焊 接点剪切破坏、钢丝绳拉伸破断以及位于锚杆托盘下 金属网的水平滑移4 种表现形式。 3 种支护方式下，钢筋网的残余支护强度分别为 9 ．8 ，1 5 ．8 ，1 7k N 。测试结果表明锚杆支护组合构件 的加人，在提高钢筋网峰值强度的同时，也提高了残 余强度，且残余强度与峰值强度相差不大，w 型钢带 对支护系统残余强度的加固作用为钢筋托梁的1 ．2 倍。于峰后卸压区，3 种支护方式下卸压波动幅度分 别为4 ．9 ，1 1 ．3 ，1 5 ．3k N ，表明于峰后阶段，钢筋网加 w 型钢带组合系统结构损坏较为严重，约为钢筋网 加单体锚杆组合系统的3 ．1 2 倍。原因在于钢筋网加 w 型钢带组合系统在峰前承载阶段，承力性能持续 上升，未经过卸压即可达到峰值强度，支护系统所积 聚的弹性能较大。随着载荷的持续施加，逐渐达到支 护系统的极限承载能力，支护系统开始出现不同程度 的结构损伤，存储在支护系统内的弹性能通过焊接点 开裂、网丝拉伸破断、边界绑丝脱扣及托盘下部金属 网水平滑移4 种形式释放。由此可以看出，卸压幅度 可以从侧面反应出支护系统于峰前承载阶段的储能 效应，依次为w 型钢带支护系统 钢筋托梁支护系统 单体锚杆支护系统。 通过对钢筋网在3 种不同支护方式下的载荷位 移曲线进行分析，主要得到了支护强度、支护刚度、 残余强度、卸压程度等指标，表明w 型钢带对钢筋 网的强度、刚度加固作用约为钢筋托梁的3 倍左 右，残余强度加固作用为钢筋托梁的1 ．2 倍，储能 效果为钢筋托梁的1 ．3 5 倍，且w 型钢带组合系统 于峰后阶段自身结构破坏程度相比于其他两种支 护系统更为严重。 3 支护系统变形数值模拟 钢筋网支护系统的位移变形是一个复杂三维问 题，其各个部分的位移变形量难以通过实验室监测手 段进行连续测试。本文通过有限元分析软件A n s y s w o r k b e n c h 对3 种支护系统的抗变形能力进行数值 模拟分析。通过提取不同节点的位移变形量，拟合钢 筋网支护系统整体位移变形曲线，进一步分析锚杆支 护组合构件对钢筋网的位移约束作用。 3 ．1 数值模拟方案及参数标定 采用S o l i d w o r k s 建模软件建立模拟所需模型，其 中锚杆问排距设置为8 0 0m m ，钢筋网大小 为10 0 0m m l0 0 0m m ，网孑L 大小为1 0 0m m 1 0 0m m ，网丝直径6m m ；w 型钢带厚度为5m m ，宽 度为2 3 0m m ，长度为1m m ；钢筋托梁圆钢直径 1 6m m ，宽度8 0m m ，长度为1m m 。将数值模型导人 A n s y sw o r k b e n c h 进行计算，材料设置为Q 2 3 5 结构 钢，材料弹性模量设置为2 0 0G P a ，屈服强度设置为 2 3 5M P a ，极限抗拉强度为4 0 0M P a ，泊松比为0 ．3 。 其中数值模型采用实体单元进行网格划分，模型之间 的接触均做“绑定”处理，即认为位于锚杆支护组合 构件与托盘下部的网丝不会产生水平滑移现象，边界 固定方式为金属网网丝截面及托盘锚杆孔处固定约 束，分别模拟井下钢筋网的边界绑丝固定及锚杆约 束。 分析本构模型选取为等强硬化多线性弹塑性模 型，分析方法为非线性大变形静态分析方法。模拟计 算钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、w 型钢带3 种支 护系统在1 5k N 垂直载荷作用下的位移变形量。 3 ．2 加固作用非对称性分析 3 ．2 ．1 整体位移云图分析 数值模拟计算效果相比于真实测试结果偏小， 原因在于数值模型中钢筋网的网丝节点及与锚杆 支护组合构件之间的接触均做绑定处理，假设2 者 之间不会出现水平滑移错动现象，且钢筋网边界做 固定处理，认为边界绑丝不会出现破坏现象。由图 6 位移云图可知，3 种不同支护方式下钢筋网的位 移变形量分别为1 8 4 ．7 8 ，1 6 0 ．8 1 ，1 1 8 ．0 5m m ，w 型 钢带配合钢筋网的抗变形能力分别为钢筋托梁支 护系统的1 ．3 倍、是单体锚杆支护系统的1 ．5 6 倍。 3 种支护系统的位移变形特征较为相似，均以圆形 加载盘中心为位移变形最大点，依次向四周进行扩 散，在锚杆、边界绑丝固定处达到平衡。后两种支 护方式位移云图表明，钢筋网在产生垂直变形的同 时，锚杆支护组合构件也产生了较小的位移，且位 移主要集中在锚杆支护组合构件的内侧，锚杆支护 组合构件外侧与钢筋网的边界固定系统位移变形 量均为0 。 万方数据 5 6 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年笫4 5 卷 一 l8 4 ．7 8 1 6 4 ．2 5 1 4 3 ．7 2 1 2 31 9 量 1 0 26 6 泰 8 1 ．1 2 葛 6 1 ．5 9 。 4 1 ．0 6 2 05 3 0 1 6 08 1 1 4 29 4 1 2 50 8 c 1 0 7 ．2 l 基 8 9 ．3 4 蠢 7 1 ．4 7 蛆 5 3 ．6 0 3 5 ．7 3 1 7 ．8 6 O 【{ } J6 钢筋网支护系统位移厶图 1 ．1 i g ．6I i s I ，k ’P 1 1 1 P 1 1 l 。p 1 1 0 9 r a I l lt fs I P P l l l l P s hs L J p p o I 【。y 8 I P m 3 ．2 ．2 网丝变形非对称性分析 纵向测线1 ～4 考虑到钢筋网的结构对称性，分别提取钢筋网纵 向4 条测线、横向5 条测线，于每条测线的正交网丝 节点处布置峪测点，每条网丝布置11 个监测点，通过 提取临测点y 轴位移坐标值，获取钢筋网的整体位 移变形量，测线及临测点布置情况如图7 所示。图8 分别为钢筋网配合单体锚杆支护、钢筋托梁支护、w 型钢