鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)分析

茍曉梅，蘇華友，杜旭東

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010；2.中鐵二十局第三工程有限責(zé)任公司，重慶 404100）

鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)分析

茍曉梅1，蘇華友1，杜旭東2

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010；2.中鐵二十局第三工程有限責(zé)任公司，重慶 404100）

為了解決金屬網(wǎng)的選擇及網(wǎng)片間的連接形式等方面隨意性比較大的問題，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析金屬網(wǎng)直徑對(duì)折斷次數(shù)的影響，并采用萬(wàn)能機(jī)對(duì)鋼筋網(wǎng)單元進(jìn)行試驗(yàn)。研究表明：彎曲是影響鋼筋承載能力的重要因素；鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)度利用率比較低，網(wǎng)片間的連接強(qiáng)度是影響支護(hù)效果的主要因素，得出了改善金屬網(wǎng)的力學(xué)性能及網(wǎng)片間的連接方式是提高支護(hù)效果有效措施之一的結(jié)論。

鋼筋網(wǎng)；錨網(wǎng)支護(hù)；破壞特征

巷道支護(hù)中，圍巖壓力大，地質(zhì)條件復(fù)雜，支護(hù)難度大，必須把頂板、底板及兩幫作為整體進(jìn)行支護(hù)才能防止巷道因局部失效而發(fā)生破壞。作為面支護(hù)的錨網(wǎng)支護(hù)既充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，又均衡了巷道各部分的變形和受力狀態(tài)，與圍巖形成統(tǒng)一支護(hù)體系，從而達(dá)到提高巷道穩(wěn)定性的效果。錨網(wǎng)支護(hù)中的金屬網(wǎng)具有下述優(yōu)點(diǎn)[1-2]：允許圍巖在一定范圍內(nèi)發(fā)生移動(dòng)，充分發(fā)揮圍巖的自承能力；防止錨桿間圍巖發(fā)生過(guò)大變形及破壞；將垮落擠入巷道的圍巖兜住，使破碎狀態(tài)的圍巖轉(zhuǎn)化為鑲嵌結(jié)構(gòu)；將錨桿間圍巖的荷載傳遞給錨桿及穩(wěn)定巖層，使巷道表面圍巖的受力狀態(tài)在一定程度上發(fā)生改變，將巷道支護(hù)中的點(diǎn)支護(hù)轉(zhuǎn)換為面支護(hù)。但目前我國(guó)在鋼筋網(wǎng)的力學(xué)性能、參數(shù)選擇及支護(hù)效果等方面的研究還比較少，盲目的選擇鋼筋網(wǎng)很容易造成鋼筋的浪費(fèi)及嚴(yán)重影響工程質(zhì)量、安全[3-4]。為解決上述問題，下面將從理論及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)鋼筋網(wǎng)的力學(xué)性能進(jìn)行研究分析，指出鋼筋網(wǎng)的不足之處并提出解決措施。

1 鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能理論分析

1.1 運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析鋼絲的抗彎曲性能

據(jù)調(diào)查可知，多數(shù)巷道支護(hù)采用綁絲或勾接的方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)度成了影響支護(hù)效果的重要因素。據(jù)此，下文分別對(duì)直徑為2.20mm，2.80mm，3.20mm和4.00mm的冷拉圓鋼進(jìn)行抗彎曲試驗(yàn)，研究彎曲是否會(huì)對(duì)鋼筋承載能力產(chǎn)生影響。彎曲角為±90°，測(cè)出不同直徑鋼筋的折斷次數(shù)，然后運(yùn)用一元方差分析法在α=5%的情況下對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析過(guò)程如表1和表2所示。

因F≥F0.05（3，9）=3.86，拒絕H，即認(rèn)為鋼筋直徑對(duì)折斷次數(shù)有顯著影響。進(jìn)而得出，彎曲是影響鋼筋承載能力的重要因素；網(wǎng)絲直徑越大，鋼筋網(wǎng)的極限承載能力也就越大[5-6]。

1.2 鋼筋網(wǎng)受力分析

位于墊板附近的鋼筋網(wǎng)受頂板圍巖擠壓作用及圍巖的形狀多樣，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)的受力復(fù)雜多變，可同時(shí)受拉、受剪、受扭、受彎等幾種力組合作用。通過(guò)計(jì)算得，鋼筋網(wǎng)對(duì)圍巖的支護(hù)力與鋼筋的強(qiáng)度成正比，與網(wǎng)兜面積和錨桿的間排距的乘積成反比[7]。鋼筋網(wǎng)承受的垂直應(yīng)力與圍巖的比重、錨桿間距成正比[8]。鋼筋網(wǎng)吸收和傳遞能量的能力比較弱，交叉點(diǎn)處應(yīng)力集中現(xiàn)象和材料損失現(xiàn)象較為嚴(yán)重[9]。

2 鋼筋網(wǎng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

2.1 鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片間勾接處拉伸試驗(yàn)

金川鎳礦采用噴錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道進(jìn)行加固，其中鋼筋網(wǎng)的直徑為6.5mm，網(wǎng)度為150mm× 150mm，網(wǎng)片尺寸為1.5m×2.0m，網(wǎng)片間采用勾接的方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，井下底鼓、兩幫內(nèi)收等問題較嚴(yán)重，對(duì)安全施工及經(jīng)濟(jì)帶來(lái)困擾。故下文通過(guò)萬(wàn)能機(jī)對(duì)金川鎳礦采用的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)的加載速度為50.0mm/min。為此，制作了母材試件，勾接試件，井字型（勾接處）未焊試件及井字型（勾接處）焊接試件五類試件，然后對(duì)各類試件分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

由表3可知，各試件承力大小依次為：勾接試件＜井字型勾接處未焊試件＜井字型勾接處焊接試件。僅采用勾接的方式聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)載荷達(dá)到4.1 kN左右時(shí)，鋼筋因彎曲角減小至90°以下，勾接處不能繼續(xù)扣鎖住彼此來(lái)承受載荷，圍巖便容易從聯(lián)網(wǎng)處垮落擠入巷道。若相鄰網(wǎng)片間通過(guò)焊接的方式將勾接處連接到鋼筋網(wǎng)上，勾接處相對(duì)固定，不易發(fā)生滑動(dòng)、扭轉(zhuǎn)，能更好的將力分散到鋼筋網(wǎng)上，緩解勾接處的承力壓力，因此其承載能力比僅采用勾接方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的承載能力要大得多，鋼筋網(wǎng)容易在焊接點(diǎn)發(fā)生剪切和受扭破壞。

綜上可知，鋼筋骨架焊接點(diǎn)處的承載能力比勾接處即聯(lián)網(wǎng)處的承載能力大；采用勾接方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)時(shí)，將勾接點(diǎn)焊接到骨架上的鋼筋網(wǎng)承載能力比未焊時(shí)的承載能力大，因?yàn)楹附狱c(diǎn)不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，能更好的將力傳遞到骨架上。但鋼筋骨架的焊接點(diǎn)和勾接處的承載能力都比較小，均未能充分發(fā)揮鋼筋的承載能力，造成鋼筋的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此改善鋼筋網(wǎng)焊接點(diǎn)強(qiáng)度和聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)度是提高噴錨網(wǎng)支護(hù)效果的重要手段。

由表3和表4可知，鋼筋的極限承載能力實(shí)測(cè)均值為16.51 kN，而勾接試件、井字型勾接處未焊試件及井字型勾接處焊接試件的極限承載能力均值分別為：3.25 kN，3.67 kN和5.56 kN，即其強(qiáng)度利用率分別為：19.7%，22.2%和33.7%。由此可知，在實(shí)際應(yīng)用中鋼筋的強(qiáng)度利用率極低，未能充分發(fā)揮其作用，造成鋼筋的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此要想提高支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，就必須提高鋼筋網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)度和改善金屬網(wǎng)的類型。

2.2 鋼筋網(wǎng)在不同支護(hù)條件下試驗(yàn)

文獻(xiàn)10對(duì)鋼筋網(wǎng)在不同支護(hù)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同支護(hù)條件下鋼筋網(wǎng)的受力柱狀圖，見圖1。

由圖1可知，與錨桿配套使用的支護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度越大，綁絲斷裂時(shí)鋼筋網(wǎng)提供的護(hù)表力越大，與鋼筋網(wǎng)失效時(shí)提供的最大護(hù)表力越接近。說(shuō)明強(qiáng)度和剛度越大的構(gòu)件越能更好的吸收和傳遞載荷，從而減輕綁絲的負(fù)荷，鋼筋網(wǎng)提供的最大護(hù)表力也就越大。因此在噴錨網(wǎng)支護(hù)中可以在網(wǎng)片間的連接處加設(shè)強(qiáng)度和剛度度較高的W鋼護(hù)帶來(lái)吸收和傳遞作用在綁絲處的載荷，從而緩解綁絲的壓力，進(jìn)而更好發(fā)揮鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用。

3 結(jié)論

1）根據(jù)上述理論及試驗(yàn)結(jié)果可知，彎曲是影響鋼筋承載能力的重要因素。彎曲角為180°鋼筋平均強(qiáng)度利用率僅為19.7%，增強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)度是提高鋼筋承載能力的有效措施之一。

2）在集中力的作用下，鋼筋網(wǎng)不能很好的吸收和傳遞載荷，若科學(xué)的選擇聯(lián)網(wǎng)方式，鋼筋網(wǎng)將沿焊接點(diǎn)發(fā)生受剪和受扭破壞。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)選擇焊接質(zhì)量高的鋼筋網(wǎng)或更換金屬網(wǎng)類型來(lái)支護(hù)圍巖，從而達(dá)到提高支護(hù)效果的目的。

3）金川鎳礦現(xiàn)用的鋼筋網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方式是影響金屬網(wǎng)承載能力的薄弱環(huán)節(jié)，鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)度利用率極低，要想提高支護(hù)效果，就必須提高鋼筋網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)度。

4）與錨桿配套使用的構(gòu)件強(qiáng)度和剛度越高，鋼筋網(wǎng)提供的最大護(hù)表力就越大。因此，就金川鎳礦而言，可將勾接處焊接到鋼筋網(wǎng)上或聯(lián)網(wǎng)處加設(shè)W鋼帶或改變金屬網(wǎng)的類型等方式來(lái)提高鋼筋網(wǎng)的承載能力，防止金屬網(wǎng)沿聯(lián)網(wǎng)處發(fā)生破壞，從而提高支護(hù)效果。

[1]崔莉.礦用金屬網(wǎng)氣動(dòng)聯(lián)接裝置的研究[D]太原：太原理工大學(xué)，2008.

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[10]林健，孫志勇.錨桿支護(hù)金屬網(wǎng)力學(xué)性能與支護(hù)效果實(shí)驗(yàn)室研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013（9）:1542-1549．

Mechanical Property Analysis on Welded Steel Fabric

Gou Xiaomei1,Su Huayou1,Du Xudong2
（1.School of Environment and Resource,Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010,China;2.China railway bureau of twenty third engineering co.,LTD., Chongqing,404100）Abstract：For selection ofmetalmesh and the connection between themesh with arbitrary bigger problems in our country,This text usemathematical statisticsmethods to analyze the diameter of themetal net impact on break times,use all-powerfulmachine to carry on experimenting about the unit of welded steel fabric.The study results showed that bending is an important factor affect the bearing capacity of the reinforced;the strength utilization of net lower and it's themain factor that affecting the supporting effect, changing themechanical properties ofmetalmesh and the connectionmethod is one of the importantmethods andmeasure toimprove the supportingeffect.

Welded steel fabric;anchor net support;failure characteristics

TD353

A

1672-5050（2015）05-0030-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.011

（編輯：樊敏）

2015-05-14

西南科技大學(xué)博士研究基金項(xiàng)目（12zx7112）

茍曉梅（1989-），女，四川巴中人，在讀碩士研究生，研究方向：巷道支護(hù)。