錨桿組合構件力學性能實驗室試驗及分析

康紅普，楊景賀

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

基礎研究

錨桿組合構件力學性能實驗室試驗及分析

康紅普1，2，3，楊景賀1，2，3

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

[摘要]在實驗室進行了W形鋼帶、鋼筋托梁兩種錨桿組合構件的拉伸試驗。W形鋼帶拉伸載荷-位移曲線分為4個階段：初始承載階段；彈性變形至屈服階段；屈服后強化階段；破斷階段。鋼帶承載能力、變形及破壞特征不僅取決于鋼板厚度、寬度，而且與鋼帶孔形狀、尺寸及加工工藝等有關。圓孔鋼帶與無孔鋼帶承載能力相差不大，而長圓孔鋼帶比無孔鋼帶承載能力有明顯降低。無孔鋼帶在卡具部位撕裂，有孔鋼帶在孔處撕裂。鋼筋托梁拉伸載荷-位移曲線在屈服階段載荷持續(xù)緩慢增大，導致上屈服點后移。鋼筋托梁承載能力主要取決于鋼筋的力學性能與直徑，其屈服與最大載荷普遍小于2倍相同直徑圓鋼的相應載荷，且屈服載荷的降幅大于最大載荷。鋼筋托梁伸長率普遍小于同直徑的圓鋼，主要破壞方式為雙縱筋頸縮、單縱筋破斷。根據拉伸試驗結果，分析了存在的問題，提出了改進建議。

[關鍵詞]錨桿；鋼帶；鋼筋托梁；力學性能；試驗

1前言

錨桿組合構件對提高錨桿支護整體效果、保持圍巖完整性具有重要作用。目前，煤礦巷道錨桿支護中常用的組合構件主要有兩種：鋼帶與鋼筋托梁。

鋼帶有平鋼帶、W形鋼帶及M形鋼帶等形式[1-2]。平鋼帶由一定厚度和寬度的鋼板制成，加工簡單，具有較大的護表面積。但其抗彎剛度小，托板容易壓穿鋼帶，發(fā)生剪切、撕裂破壞。W形鋼帶由條帶狀的鋼板滾壓而成，其護表面積大，抗彎剛度大，而且經過滾壓成型，承載能力也有一定的提高[3]。由于具有這些優(yōu)點，W形鋼帶已得到廣泛應用。為了規(guī)范W形鋼帶的加工與使用，在2000年制訂了我國礦用W鋼帶標準(MT/T861-2000)。之后，隨著煤礦開采深度增加及巷道地質條件的不斷復雜化，對錨桿支護組合構件提出更高的要求。為此，對W形鋼帶的幾何尺寸與力學性能進行了不斷改進，開發(fā)出承載能力更高、抗彎剛度更大的鋼帶，以滿足高強度、高剛度錨桿支護的需要[4-5]。并且，在2015年對原有的W形鋼帶標準進行了修訂。M形鋼帶具有抗拉強度大、抗彎剛度高、抗撕裂性能好及鋼材利用率高等特點[6]，在適宜的條件下取得良好的組合、護表作用，也是一種性能比較優(yōu)越的鋼帶形式。

鋼筋托梁由鋼筋焊接而成，其突出的優(yōu)點是加工方便、重量小、成本低、施工方便。而其顯著的缺點是：托梁寬度窄、護表面積小、承載能力低、剛度小，而且鋼筋與巷道表面為線接觸，組合和護表能力較差。為了提高鋼筋托梁的力學性能，有些煤礦采用雙鋼筋焊接托梁。但總體上說，鋼筋托梁與W形、M形鋼帶相比力學性能較差，適合于地質條件比較簡單的巷道。

在組合構件力學性能與支護效果方面，一些學者采用理論分析、實驗室與井下試驗及數值模擬等方法進行了研究[7-11]，對組合構件在錨桿支護中的作用有了比較深入的了解。拉伸力學性能試驗是組合構件力學性能的重要內容，但目前，對各種組合構件的拉伸性能還沒有進行過全面、系統(tǒng)的測試與分析。為此，本文對現有W形鋼帶、鋼筋托梁的拉伸力學性能進行實驗室試驗，分析試驗結果，并提出組合構件材料與結構的改進建議。

2組合構件力學性能試驗內容與方法

2.1試驗內容

本次試驗包括W形鋼帶、鋼筋托梁拉伸試驗，測試不同規(guī)格鋼帶、鋼筋托梁的拉伸性能及承載能力，測試內容如表1所列。

表1　組合構件拉伸力學性能測試內容

2.1.1W形鋼帶

W形鋼帶試驗試件為山西一煤礦支護材料廠產品，采用Q235鋼板制成，鋼板公稱厚度為3mm和4mm 2種。2種板厚的試件加工成無孔、圓孔和長圓孔3種型式，共6組，長圓孔W形鋼帶試件見圖1。鋼帶試件長度為1000mm，圓孔直徑為44mm，長圓孔中2個半圓直徑也為44mm，直線段長度為31mm。試驗時兩端卡具夾裝長度各150mm，平行長度為700mm。

圖1　W形鋼帶試件

2.1.2鋼筋托梁

鋼筋托梁試驗包括2個內容：不同直徑圓鋼和焊接鋼筋托梁拉伸試驗。圓鋼材質為Q235，直徑分別為12mm，14mm，16mm，18mm和20mm，每種直徑進行2組試驗，共10組。圓鋼試件長度500mm，由試件中點按10倍圓鋼公稱直徑，向兩側打設標距點。試件兩端夾持長度各100mm，平行長度300mm。鋼筋托梁分別采用上述直徑的圓鋼，按不同托架尺寸、數量、位置及鋼筋搭接方式焊接而成，如圖2所示，共28組。鋼筋托梁試件長度1100mm，試驗時兩端卡具夾裝長度各150mm，試驗段平行長度800mm。

圖2　鋼筋托梁試件

2.2試驗設備與方法

試驗設備采用JAW-1500型電液伺服材料試驗機。采用標準為“金屬材料室溫拉伸試驗方法” (GB/T228-2002)。

試驗方法為：將試件按設定的平行長度，夾裝在試驗機上下鉗口專用W形鋼帶或鋼筋托梁拉伸卡具內，啟動試驗機進行拉伸試驗，直至試件破壞，記錄載荷-位移曲線。W形鋼帶拉伸試驗試件夾裝方式見圖3。

圖3　W形鋼帶拉伸試驗試件夾裝方式

3W形鋼帶力學性能試驗結果與分析

3.1試驗結果

W形鋼帶拉伸試驗結果見表2，拉伸載荷-位移曲線見圖4、圖5。圖4、圖5中的位移不僅包括鋼帶試件的拉伸位移，還包括鋼帶與夾具之間的滑動位移及試驗機上其他受拉構件的位移。W形鋼帶拉伸破壞狀況見圖6。

表2　W形鋼帶拉伸試驗結果

圖4　W235/300/4.0鋼帶試件載荷-位移曲線

圖5　W235/300/3.0鋼帶試件載荷-位移曲線

圖6　W形鋼帶破壞狀況

3.2試驗結果分析

分析W形鋼帶試驗結果，可得出以下幾點：

(1)W形鋼帶拉伸載荷與位移曲線可分為4個階段：初始承載階段；彈性變形至屈服階段；屈服后強化階段；破斷階段。第1階段載荷與位移呈非線性關系，位移增加速度大于載荷。有的試件非線性非常明顯，而有的試件不明顯，這與鋼帶的夾緊程度、鋼帶與夾具相對滑動有關；第2階段鋼帶拉伸載荷與位移近似呈線性關系，當達到彈性極限后，曲線偏離線性，直至屈服；第3階段鋼帶屈服后拉伸載荷仍不斷增加，但增加速度小于位移，直到鋼帶最大拉伸載荷；第4階段為最大載荷點至鋼帶破斷，鋼帶載荷達到峰值后，載荷急劇降低，并出現破斷。

(2)鋼板厚度4mm的W形鋼帶最大拉伸載荷為318～484kN，屈服載荷為268.7～417.3kN。其中無孔鋼帶與圓孔鋼帶承載能力相差不大，而長圓孔鋼帶平均拉伸載荷、屈服載荷分別比無孔鋼帶降低16.7%，16.0%。鋼板厚度3mm的W形鋼帶最大拉伸載荷為266.4～337.3kN，屈服載荷為233.6～280kN。其中圓孔鋼帶平均拉伸載荷、屈服載荷分別比無孔鋼帶降低8.8%和4.9%，長圓孔鋼帶平均拉伸載荷、屈服載荷分別比無孔鋼帶降低18.8%，14.3%?？梢?，鋼帶孔的形狀與加工工藝對鋼帶承載能力有明顯影響，沖壓加工的長圓孔影響較大，這與沖壓加工時孔周邊存在沖剪損傷有關，而鉆進加工的圓孔影響相對較小。

(3)不同型號鋼帶的拉伸變形特征有明顯差別。在最大載荷點，板厚3mm，4mm的無孔鋼帶平均伸長率分別為13.6%，10.5%(拉伸位移中包含了鋼帶本身的位移和鋼帶與夾具之間的滑動位移，由于后者比較小，因此不影響鋼帶位移的總趨勢)；圓孔鋼帶分別為7.3%，7.4%；長圓孔鋼帶分別為6.1%，5.2%?？梢?，W形鋼帶伸長率與孔的存在及形狀有很大關系，無孔鋼帶最大載荷伸長率最大，圓孔鋼帶次之，長圓孔鋼帶最低。

(4)不同型號的W形鋼帶拉伸破壞形式不同。無孔鋼帶全部在卡具部位撕裂；帶有沖壓加工的長圓形孔鋼帶全部在孔處從一側開始撕裂，并在先撕開一側拉斷前，發(fā)展到另一側；使用鉆頭加工圓形孔的鋼帶，孔處拉長后從側邊撕裂。

4鋼筋托梁力學性能試驗結果及分析

4.1圓鋼試驗結果及分析

圓鋼拉伸試驗結果見表3，拉伸載荷-位移曲線如圖7(圖中的位移包括鋼筋試件的拉伸位移，鋼筋與夾具之間的滑動位移及試驗機上其他受拉構件的位移)。分析試驗結果可得出以下兩點：

表3　焊接鋼筋托梁用圓鋼力學性能試驗結果

圖7　鋼筋托梁用圓鋼載荷-位移曲線

(1)直徑12～20mm的焊接鋼筋托梁用圓鋼，屈服載荷分布在37.3～88.3kN之間，拉伸載荷集中在50～130kN范圍內。屈服強度為284～364MPa，抗拉強度為422～506MPa，強度明顯高于Q235圓鋼要求的最低值。此外，隨著圓鋼直徑的增加強度有降低的趨勢。圓鋼屈強比為0.68～0.74，彈性模量為232～260GPa。

(2)圓鋼在最大載荷點的伸長率為24.6%～28.9%，斷后伸長率為37.4%～43.4%，具有較高的拉伸延展性。

4.2鋼筋托梁試驗結果及分析

不同直徑圓鋼、不同結構形式和尺寸的焊接鋼筋托梁力學性能試驗結果見表4，拉伸載荷-位移曲線如圖8至圖10。鋼筋托梁破壞前后對比如圖11、圖12。鋼筋托梁縱筋與橫筋連接處變形狀況如圖13。分析試驗結果，可得出以下幾點：

表4　鋼筋托梁力學性能試驗結果

圖8　φ14mm鋼筋托梁(平接)載荷-位移曲線

圖9　φ16mm鋼筋托梁(平接)載荷-位移曲線

圖10　φ18mm鋼筋托梁(平接與搭接)載荷-位移曲線

圖11　鋼筋托梁拉伸破壞前后對比(雙托架，圓鋼直徑18mm，托架尺寸100mm×100mm)

圖12　鋼筋托梁拉伸破壞前后對比(單托架，圓鋼直徑20mm，托架尺寸100mm×100mm)

圖13　鋼筋托梁橫筋與縱筋接口處拉伸后變形狀況

(1)鋼筋托梁拉伸載荷-位移曲線與單根圓鋼有明顯差異。鋼筋托梁在屈服階段載荷持續(xù)緩慢增大，上屈服點后移，下屈服點前移，與圓鋼相比，上、下屈服點位置發(fā)生互換。鋼筋托梁在達到最大載荷后，很快就發(fā)生破斷，而圓鋼在達到最大載荷后，仍發(fā)生較大延伸后才破斷。對于直徑相同，而不同托架尺寸、數量及橫筋與縱筋連接方式的鋼筋托梁，拉伸載荷-位移曲線具有一致性，各試件的承載力及變形量相差不大。

(2)鋼筋托梁的承載能力主要取決于鋼筋的力學性能與直徑，與托梁寬度、托架尺寸、橫筋與縱筋連接方式等關系不大。材質為Q335圓鋼焊接鋼筋托梁最大拉伸載荷范圍分別為：直徑12mm托梁為90～95kN；直徑14mm托梁為122～131kN；直徑16mm托梁為171～173kN；直徑18mm托梁為210～216kN；直徑20mm托梁為255～262kN。鋼筋托梁的屈服載荷與最大載荷，普遍小于2倍相同直徑圓鋼的相應載荷。其中屈服載荷的比值為0.83～0.99，最大載荷的比值為0.88～1.00(個別試件超過1)，屈服載荷的降幅大于最大載荷。鋼筋直徑越小，載荷降低幅度越大。

(3)鋼筋托梁最大載荷伸長率、斷后伸長率普遍比相同直徑的圓鋼低，特別是斷后伸長率，遠低于相同直徑的圓鋼，降低幅度達40%～50%。拉伸過程中托架也發(fā)生了變形，由原來的正方形變?yōu)殚L方形，兩根縱筋發(fā)生了明顯伸長，而橫筋變形不大。不論橫筋與縱筋連接方式為平接還是搭接，接點附近縱筋拉伸變形明顯減小，接口處形成積瘤狀凸起(圖13)?？梢?，鋼筋托梁延伸率低于圓鋼的主要原因有兩個：一是兩根縱筋同時拉伸，相互影響，頸縮一般先從一根縱筋開始，破斷也主要是單縱筋破斷，從而影響了斷后伸長率；二是縱橫筋連接點附近變形減小，也影響了鋼筋托梁總的伸長率。

(4)不同型號、規(guī)格的鋼筋托梁，拉伸后雙縱筋同時拉伸延展，以雙縱筋徑縮、單縱筋破斷為主要破壞形式。雙托架鋼筋托梁，破斷位置在兩個托架之間，單托架托梁則在托架的某一側縱筋破斷(圖13)。

5存在的問題及改進建議

本文進行了W形鋼帶、鋼筋托梁的拉伸試驗，發(fā)現在錨桿組合構件力學性能研究方面還存在以下問題：

(1)鋼帶容易在孔部位發(fā)生撕裂，導致鋼帶破壞。鋼帶的承載能力、破壞方式與孔的形狀與尺寸、成孔工藝等有關。應進一步采用理論分析、數值模擬計算等手段，研究孔對鋼帶力學性能的影響，為選擇合理的鋼帶孔幾何尺寸與加工工藝提供理論基礎。

(2)在鋼帶拉伸試驗過程中，鋼帶與夾具接觸部位也是容易破壞的地方。在井下巷道中，靠托板、金屬網和圍巖表面夾緊鋼帶，它們之間的接觸條件對鋼帶的承載能力有顯著影響。錨桿托板壓穿鋼帶很重要的一個原因就是兩者接觸條件不好。因此，應深入研究鋼帶與托板、圍巖表面接觸條件對鋼帶承載能力的影響，以提高匹配性，充分發(fā)揮鋼帶的支護能力。

(3)鋼帶承載能力、變形性能與其形狀、尺寸、材質及加工工藝等多種因素有關。有些煤礦使用的鋼帶還不盡合理，還需針對具體的巷道圍巖條件，在大量試驗數據的基礎上不斷進行優(yōu)化。

(4)拉伸試驗只能分析鋼帶在受純拉伸作用下的力學性能，而在井下，鋼帶受到拉伸、剪切及彎曲作用，甚至在長度方向上出現扭曲。應開發(fā)鋼帶在不同受力狀態(tài)下力學性能測試裝置，以全面了解鋼帶變形、破斷特征與機理。

(5)上述(2)～(4)同樣適用于鋼筋托梁。此外，鋼筋托梁的縱筋與橫筋焊接處容易開裂，應采用可靠的焊接技術與工藝確保焊接質量。在拉伸過程中，鋼筋托梁橫筋與縱筋連接點處出現凸起，附近縱筋拉伸變形明顯減小，這些現象應采用理論分析和數值模擬進行更深入的研究。此外，為改善鋼筋托梁與錨桿托板的接觸條件，可設計與鋼筋托梁配套使用的專用托板，不僅能改善鋼筋托梁受力狀態(tài)，而且可充分發(fā)揮錨桿的支護作用。

6結論

通過本次錨桿組合構件實驗室試驗，可得出以下結論：

(1)W形鋼帶拉伸載荷與位移曲線可分為4個階段：初始承載階段；彈性變形至屈服階段；屈服后強化階段；破斷階段。鋼帶承載能力不僅取決于鋼板厚度、寬度，而且與孔的存在、孔形狀、尺寸及加工工藝等有關。圓孔鋼帶與無孔鋼帶承載能力相差不大，而長圓孔鋼帶比無孔鋼帶承載能力有明顯降低。

(2)不同型號、規(guī)格的W形鋼帶拉伸變形及破壞特征有明顯差別。鋼帶伸長率與孔的存在及形狀有很大關系，無孔鋼帶最大載荷伸長率最大，圓孔鋼帶次之，長圓孔鋼帶最低。無孔鋼帶全部在卡具部位撕裂；長圓孔鋼帶全部在孔處從一側開始撕裂，并在先撕開一側拉斷前發(fā)展到另一側；圓孔鋼帶，孔被拉長后從側邊撕裂。

(3)鋼筋托梁拉伸載荷-位移曲線在屈服階段載荷持續(xù)緩慢增大，上屈服點后移，下屈服點前移。當達到最大載荷后，鋼筋托梁很快就發(fā)生破斷。對于直徑相同的各種鋼筋托梁，拉伸載荷-位移曲線相差不大。鋼筋托梁的承載能力主要取決于鋼筋的力學性能與直徑，與托梁寬度、托架尺寸、橫筋與縱筋連接方式等關系不大。鋼筋托梁的屈服載荷與最大載荷普遍小于2倍相同直徑圓鋼的相應載荷，且屈服載荷的降幅大于最大載荷；鋼筋直徑越小，載荷降低幅度越大。

(4)鋼筋托梁最大載荷伸長率、斷后伸長率普遍比相同直徑的圓鋼低，特別是斷后伸長率，比相同直徑的圓鋼降低40%～50%。拉伸過程中托架由原來的正方形變?yōu)殚L方形。不論橫筋與縱筋、連接方式為平接還是搭接，接點附近縱筋拉伸變形明顯減小。鋼筋托梁延伸率低于圓鋼的主要原因是兩根縱筋相互影響及縱橫筋連接點附近拉伸變形減小。

(5)在組合構件與錨桿托板的匹配性，組合構件在受剪、彎、扭及復合應力狀態(tài)下的變形破壞特征，組合構件形狀、尺寸、材質優(yōu)化等方面，還需作更深入、系統(tǒng)的試驗研究工作。

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[責任編輯：王興庫]

Laboratory Experiment and Analysis on Mechanical Performances of Rock Bolt Components

KANG Hong-pu1，2，3，YANG Jing-he1，2，3

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Mining & Clean Utilization,Beijing 100013，China)

Abstract：Tensile testing of two rock bolts components was experimented in laboratory，which include W-shape steel strip and steel joist，the tensile loading-displacement curve of W steel strip could be divided into four stages：initial loading stage，elastic deformation to yield stage，strengthen after yield stage and broken stage.The deformation and broken characters and bearing capacity of steel strip no only depend on the thickness and width of steel plate，but also related to hole’s shape，sizes and processing technology.The bearing capacity almost the same between circular holes steel strip and non-hole steel strip，but the bearing capacity of long circular holes steel strip decreased obviously than non-hole steel strip.Non- hole steel strip was cracked from fixtures，but steel strip with hole was cracked from the holes position.The tensile loading-displacement curve of steel joist increased slowly and continuously during yield stage and then yield point moved rearward，the bearing capacity of steel joist was mainly depend on mechanics characters and diameter of steel bars，its yield and the maximal loading values all less than two times of the corresponding values of the same diameter round steel，and the yield loading reduction amplitude large than the maximal loading.The elongation ratio all less than the same diameters round steel，its main broken way were double longitudinal steel bars necking，single longitudinal steel bar broken.The problems were analyzed on the basis of the experimental results，and then suggestions were put forward.

Key words：rock bolt；steel strip；steel joist；mechanics；experiment

[收稿日期]2016-04-11[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.001

[基金項目]國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金重點項目(U1261211)

[作者簡介]康紅普(1965-)，男，山西五臺人，研究員，博士生導師，中國工程院院士。

[中圖分類號]TD353.6

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0001-06

[引用格式]康紅普，楊景賀.錨桿組合構件力學性能實驗室試驗及分析[J].煤礦開采，2016，21(3)：1-6.