一种锚杆施加预应力的数值模拟方法与流程

本发明属于锚杆支护
技术领域：
，具体涉及一种锚杆施加预应力的数值模拟方法。
背景技术：
：数值模拟目前已经成为巷道锚杆支护设计方案对比、评估的重要手段。工程实践中，主要依靠对锚杆尾部螺纹连接的螺母施加扭矩来达到对锚杆杆体施加预应力的效果，施加预应力后托盘也可向围岩传递主动支护的托锚力。因此，锚杆杆体内的预应力与托盘的托锚力对巷道围岩的变形破坏限制作用显著，不可忽略。预应力的施加离不开托盘与螺母的作用，螺母依靠于锚杆上外螺纹连接间的机械自锁力拉伸锚杆。螺母、锚杆上的外螺纹的特征尺寸不超过1mm，对于支护工程尺度，螺母与锚杆上的外螺纹间的接触模拟往往比较困难，计算代价巨大。因此寻找一种合理简化模拟预应力施加及托盘后期支护的工作特性是十分必要的。而在以往锚杆支护工程的数值模拟中，由于计算机内存及数值计算时间的限制，不可能考虑螺母与锚杆上的外螺纹的相互作用来模拟施加杆体预应力及托锚力。技术实现要素：本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种可以合理简化模拟预应力施加及托盘后期支护的工作特性的锚杆施加预应力的数值模拟方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种锚杆施加预应力的数值模拟方法，包括以下步骤，（1）、先假定预应力施加时期的围岩与锚杆都处于弹性状态；以锚杆外端部为坐标原点o，建立直角坐标系，其中x方向为垂直于锚杆轴向的方向，y方向为锚杆中轴线方向；由于预应力的加载方向与x方向垂直，且锚杆刚度很大，弹性模量e=210gpa，可忽略预应力施加时期x方向的应力及变形；（2）、建立数值模型：需要进行建立模型的部件为岩体内钻孔、锚杆、锚杆体表面沿轴向方向设置的螺旋状的横肋以及锚固剂，锚杆采用螺纹钢，锚固剂采用树脂环；设置各部件的具体参数，并设定各部件的力学属性；分别对杆体、树脂、钻孔、托盘进行建模，并组装至相应位置，并将相接触的面“绑定约束”；绑定约束的含义为：将各个部件的相接触的界面进行合并，使得界面不能分开与滑移；（3）、移除托盘，加载拉力；将锚杆与其周围锚固范围内的岩体看做单向弹簧，在锚杆外端部沿y方向施加拉力，此时拉力与锚杆的伸长量之间的关系为：（1）为锚杆长度，为锚杆弹性模量，为锚杆截面积，此时锚杆端部a与坐标原点o间距为；采用“生死单元（*modelchange，remove）”命令移除托盘，在移除托盘的同时在其上附加的约束也一同被移除，于锚杆外端部尾部施加拉力f1，计算达到平衡状态；其中“生死单元”为有限元计算中的一种用于移除与激活单元集的方法，在这里，将托盘看做一个单元集，用此命令实现移除托盘的目的；（4）、安装托盘，撤去拉力；采用“生死单元（*modelchange，add）”命令再激活托盘，与其附加的绑定约束一同被激活，此时，托盘面与岩体紧密贴合，“中轴”与杆体紧密贴合；然后撤去锚杆拉力f1，计算至平衡状态，此时杆体剩余有残留的拉应力，即为所施加的预应力值。所述步骤（4）具体过程为：将托盘安装到锚杆外端部并与岩体压接，撤去，则锚杆欲回缩，但在托盘约束下限制其回缩量不可能达到；此时，在托盘面压力作用下假定围岩为弹簧开始被压缩，锚杆的回缩长度等于围岩的压缩长度；即（2）以刚体托盘为研究对象，受到锚杆拉力与围岩压力，且有：（3）锚杆的残余拉伸长度与围岩的压缩长度为：（4）联合式（1）-式（4），可得：（5）为锚杆回缩长度，为锚杆残余拉伸长度，为托盘受到锚杆拉力，为托盘手袋的围岩压力，为围岩弹性模量，ar为托盘与围岩的接触面积，则n1就是安装托盘后所保留的预应力。采用上述技术方案，本发明提出一种等效代替螺母施加预应力的数值模拟方法，解决了工程尺度对含托盘锚杆施加预应力的问题。本发明所采用预应力等效施加方法，既在不分析螺母的前提下施加预应力，同时加上托盘装置，能够应用至工程尺度巷道支护的数值模拟。本发明避开了螺母等实际工程中的预应力施加构件，考虑托盘的工作特性提出模拟预应力施加及托锚力的等效方法，使预应力施加及托盘传力等过程实现工程尺度的模拟。具有计算精度高、考虑托盘作用、计算代价小的特点。附图说明图1是本发明中带托盘的预应力锚杆模型图（由于未轴对称图形，取一半）；图2是本发明中数值模型原理图；图3是锚杆外端部施加拉力的状态图；图4是本发明中预应力等效施加结果。具体实施方式本发明的一种锚杆施加预应力的数值模拟方法，包括以下步骤，（1）、先假定预应力施加时期的围岩与锚杆都处于弹性状态；以锚杆外端部为坐标原点o，建立直角坐标系，其中x方向为垂直于锚杆轴向的方向，y方向为锚杆中轴线方向；由于预应力的加载方向与x方向垂直，且锚杆刚度很大，弹性模量e=210gpa，可忽略预应力施加时期x方向的应力及变形；（2）、如图1所示，建立数值模型：需要进行建立模型的部件为岩体内钻孔、锚杆、锚杆体表面沿轴向方向设置的螺旋状的横肋以及锚固剂，锚杆采用螺纹钢，锚固剂采用树脂环；设置各部件的具体参数，并设定各部件的力学属性，如表1和表2所示；分别对杆体、树脂、钻孔、托盘进行建模，并组装至相应位置，并将相接触的面“绑定约束”；绑定约束的含义为：将各个部件的相接触的界面进行合并，使得界面不能分开与滑移；表1数值模型尺寸表表2锚固系统的力学属性材料弹性模量/gpa泊松比螺纹钢杆体与托盘2100.28树脂2.60.30岩体150.26（3）、移除托盘，加载拉力；将锚杆与其周围锚固范围内的岩体看做单向弹簧，如图2和图3所示，在锚杆外端部沿y方向施加拉力，此时拉力与锚杆的伸长量之间的关系为：（1）为锚杆长度，为锚杆弹性模量，为锚杆截面积，此时锚杆端部a与坐标原点o间距为；采用“生死单元（*modelchange，remove）”命令移除托盘，在移除托盘的同时在其上附加的约束也一同被移除，于锚杆外端部尾部施加拉力，计算达到平衡状态，如图2所示；其中“生死单元”为有限元计算中的一种用于移除与激活单元集的方法，在这里，将托盘看做一个单元集，用此命令实现移除托盘的目的；（4）、安装托盘，撤去拉力；采用“生死单元（*modelchange，add）”命令再激活托盘，与其附加的绑定约束一同被激活，此时，托盘面与岩体紧密贴合，“中轴”与杆体紧密贴合；然后撤去锚杆拉力，计算至平衡状态，如图4所示，此时杆体剩余有残留的拉应力，即为所施加的预应力值。所述步骤（4）具体过程为：将托盘安装到锚杆外端部并与岩体压接，撤去，则锚杆欲回缩，但在托盘约束下限制其回缩量不可能达到；此时，在托盘面压力作用下假定围岩为弹簧开始被压缩，锚杆的回缩长度等于围岩的压缩长度；即（2）以刚体托盘为研究对象，受到锚杆拉力与围岩压力，且有：（3）锚杆的残余拉伸长度与围岩的压缩长度为：（4）联合式（1）-式（4），可得：（5）若托盘与围岩接触面积取200cm2，围岩弹性模量取10gpa，杆体横截面积取3.5cm2，杆体弹性模量取210gpa，则：（6）为锚杆回缩长度，为锚杆残余拉伸长度，为托盘受到锚杆拉力，为托盘手袋的围岩压力，为围岩弹性模量，为托盘与围岩的接触面积，则就是安装托盘后所保留的预应力。本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。当前第1页12