本發(fā)明屬于錨桿支護(hù)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種錨桿施加預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬方法。
背景技術(shù)：
：數(shù)值模擬目前已經(jīng)成為巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案對比、評估的重要手段。工程實(shí)踐中，主要依靠對錨桿尾部螺紋連接的螺母施加扭矩來達(dá)到對錨桿桿體施加預(yù)應(yīng)力的效果，施加預(yù)應(yīng)力后托盤也可向圍巖傳遞主動(dòng)支護(hù)的托錨力。因此，錨桿桿體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力與托盤的托錨力對巷道圍巖的變形破壞限制作用顯著，不可忽略。預(yù)應(yīng)力的施加離不開托盤與螺母的作用，螺母依靠于錨桿上外螺紋連接間的機(jī)械自鎖力拉伸錨桿。螺母、錨桿上的外螺紋的特征尺寸不超過1mm，對于支護(hù)工程尺度，螺母與錨桿上的外螺紋間的接觸模擬往往比較困難，計(jì)算代價(jià)巨大。因此尋找一種合理簡化模擬預(yù)應(yīng)力施加及托盤后期支護(hù)的工作特性是十分必要的。而在以往錨桿支護(hù)工程的數(shù)值模擬中，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存及數(shù)值計(jì)算時(shí)間的限制，不可能考慮螺母與錨桿上的外螺紋的相互作用來模擬施加桿體預(yù)應(yīng)力及托錨力。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種可以合理簡化模擬預(yù)應(yīng)力施加及托盤后期支護(hù)的工作特性的錨桿施加預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種錨桿施加預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟，（1）、先假定預(yù)應(yīng)力施加時(shí)期的圍巖與錨桿都處于彈性狀態(tài)；以錨桿外端部為坐標(biāo)原點(diǎn)o，建立直角坐標(biāo)系，其中x方向?yàn)榇怪庇阱^桿軸向的方向，y方向?yàn)殄^桿中軸線方向；由于預(yù)應(yīng)力的加載方向與x方向垂直，且錨桿剛度很大，彈性模量e=210gpa，可忽略預(yù)應(yīng)力施加時(shí)期x方向的應(yīng)力及變形；（2）、建立數(shù)值模型：需要進(jìn)行建立模型的部件為巖體內(nèi)鉆孔、錨桿、錨桿體表面沿軸向方向設(shè)置的螺旋狀的橫肋以及錨固劑，錨桿采用螺紋鋼，錨固劑采用樹脂環(huán)；設(shè)置各部件的具體參數(shù)，并設(shè)定各部件的力學(xué)屬性；分別對桿體、樹脂、鉆孔、托盤進(jìn)行建模，并組裝至相應(yīng)位置，并將相接觸的面“綁定約束”；綁定約束的含義為：將各個(gè)部件的相接觸的界面進(jìn)行合并，使得界面不能分開與滑移；（3）、移除托盤，加載拉力；將錨桿與其周圍錨固范圍內(nèi)的巖體看做單向彈簧，在錨桿外端部沿y方向施加拉力，此時(shí)拉力與錨桿的伸長量之間的關(guān)系為：（1）為錨桿長度，為錨桿彈性模量，為錨桿截面積，此時(shí)錨桿端部a與坐標(biāo)原點(diǎn)o間距為；采用“生死單元（*modelchange，remove）”命令移除托盤，在移除托盤的同時(shí)在其上附加的約束也一同被移除，于錨桿外端部尾部施加拉力f1，計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)；其中“生死單元”為有限元計(jì)算中的一種用于移除與激活單元集的方法，在這里，將托盤看做一個(gè)單元集，用此命令實(shí)現(xiàn)移除托盤的目的；（4）、安裝托盤，撤去拉力；采用“生死單元（*modelchange，add）”命令再激活托盤，與其附加的綁定約束一同被激活，此時(shí)，托盤面與巖體緊密貼合，“中軸”與桿體緊密貼合；然后撤去錨桿拉力f1，計(jì)算至平衡狀態(tài)，此時(shí)桿體剩余有殘留的拉應(yīng)力，即為所施加的預(yù)應(yīng)力值。所述步驟（4）具體過程為：將托盤安裝到錨桿外端部并與巖體壓接，撤去，則錨桿欲回縮，但在托盤約束下限制其回縮量不可能達(dá)到；此時(shí)，在托盤面壓力作用下假定圍巖為彈簧開始被壓縮，錨桿的回縮長度等于圍巖的壓縮長度；即（2）以剛體托盤為研究對象，受到錨桿拉力與圍巖壓力，且有：（3）錨桿的殘余拉伸長度與圍巖的壓縮長度為：（4）聯(lián)合式（1）-式（4），可得：（5）為錨桿回縮長度，為錨桿殘余拉伸長度，為托盤受到錨桿拉力，為托盤手袋的圍巖壓力，為圍巖彈性模量，ar為托盤與圍巖的接觸面積，則n1就是安裝托盤后所保留的預(yù)應(yīng)力。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出一種等效代替螺母施加預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬方法，解決了工程尺度對含托盤錨桿施加預(yù)應(yīng)力的問題。本發(fā)明所采用預(yù)應(yīng)力等效施加方法，既在不分析螺母的前提下施加預(yù)應(yīng)力，同時(shí)加上托盤裝置，能夠應(yīng)用至工程尺度巷道支護(hù)的數(shù)值模擬。本發(fā)明避開了螺母等實(shí)際工程中的預(yù)應(yīng)力施加構(gòu)件，考慮托盤的工作特性提出模擬預(yù)應(yīng)力施加及托錨力的等效方法，使預(yù)應(yīng)力施加及托盤傳力等過程實(shí)現(xiàn)工程尺度的模擬。具有計(jì)算精度高、考慮托盤作用、計(jì)算代價(jià)小的特點(diǎn)。附圖說明圖1是本發(fā)明中帶托盤的預(yù)應(yīng)力錨桿模型圖（由于未軸對稱圖形，取一半）；圖2是本發(fā)明中數(shù)值模型原理圖；圖3是錨桿外端部施加拉力的狀態(tài)圖；圖4是本發(fā)明中預(yù)應(yīng)力等效施加結(jié)果。具體實(shí)施方式本發(fā)明的一種錨桿施加預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟，（1）、先假定預(yù)應(yīng)力施加時(shí)期的圍巖與錨桿都處于彈性狀態(tài)；以錨桿外端部為坐標(biāo)原點(diǎn)o，建立直角坐標(biāo)系，其中x方向?yàn)榇怪庇阱^桿軸向的方向，y方向?yàn)殄^桿中軸線方向；由于預(yù)應(yīng)力的加載方向與x方向垂直，且錨桿剛度很大，彈性模量e=210gpa，可忽略預(yù)應(yīng)力施加時(shí)期x方向的應(yīng)力及變形；（2）、如圖1所示，建立數(shù)值模型：需要進(jìn)行建立模型的部件為巖體內(nèi)鉆孔、錨桿、錨桿體表面沿軸向方向設(shè)置的螺旋狀的橫肋以及錨固劑，錨桿采用螺紋鋼，錨固劑采用樹脂環(huán)；設(shè)置各部件的具體參數(shù)，并設(shè)定各部件的力學(xué)屬性，如表1和表2所示；分別對桿體、樹脂、鉆孔、托盤進(jìn)行建模，并組裝至相應(yīng)位置，并將相接觸的面“綁定約束”；綁定約束的含義為：將各個(gè)部件的相接觸的界面進(jìn)行合并，使得界面不能分開與滑移；表1數(shù)值模型尺寸表表2錨固系統(tǒng)的力學(xué)屬性材料彈性模量/gpa泊松比螺紋鋼桿體與托盤2100.28樹脂2.60.30巖體150.26（3）、移除托盤，加載拉力；將錨桿與其周圍錨固范圍內(nèi)的巖體看做單向彈簧，如圖2和圖3所示，在錨桿外端部沿y方向施加拉力，此時(shí)拉力與錨桿的伸長量之間的關(guān)系為：（1）為錨桿長度，為錨桿彈性模量，為錨桿截面積，此時(shí)錨桿端部a與坐標(biāo)原點(diǎn)o間距為；采用“生死單元（*modelchange，remove）”命令移除托盤，在移除托盤的同時(shí)在其上附加的約束也一同被移除，于錨桿外端部尾部施加拉力，計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖2所示；其中“生死單元”為有限元計(jì)算中的一種用于移除與激活單元集的方法，在這里，將托盤看做一個(gè)單元集，用此命令實(shí)現(xiàn)移除托盤的目的；（4）、安裝托盤，撤去拉力；采用“生死單元（*modelchange，add）”命令再激活托盤，與其附加的綁定約束一同被激活，此時(shí)，托盤面與巖體緊密貼合，“中軸”與桿體緊密貼合；然后撤去錨桿拉力，計(jì)算至平衡狀態(tài)，如圖4所示，此時(shí)桿體剩余有殘留的拉應(yīng)力，即為所施加的預(yù)應(yīng)力值。所述步驟（4）具體過程為：將托盤安裝到錨桿外端部并與巖體壓接，撤去，則錨桿欲回縮，但在托盤約束下限制其回縮量不可能達(dá)到；此時(shí)，在托盤面壓力作用下假定圍巖為彈簧開始被壓縮，錨桿的回縮長度等于圍巖的壓縮長度；即（2）以剛體托盤為研究對象，受到錨桿拉力與圍巖壓力，且有：（3）錨桿的殘余拉伸長度與圍巖的壓縮長度為：（4）聯(lián)合式（1）-式（4），可得：（5）若托盤與圍巖接觸面積取200cm2，圍巖彈性模量取10gpa，桿體橫截面積取3.5cm2，桿體彈性模量取210gpa，則：（6）為錨桿回縮長度，為錨桿殘余拉伸長度，為托盤受到錨桿拉力，為托盤手袋的圍巖壓力，為圍巖彈性模量，為托盤與圍巖的接觸面積，則就是安裝托盤后所保留的預(yù)應(yīng)力。本實(shí)施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12