锚索受拉与反转扭矩耦合效应分析

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锚索作为一种有效的支护技术手段,在边坡、隧道和矿井支护中得到了广泛的应用。但由于其是空间螺旋结构,受拉时存在反转扭矩,扭矩的存在会降低轴向拉力,影响其锚固性能。因此,以矿山工程上常用的1×7钢绞线为研究对象,采用室内拉伸试验,理论分析和数值模拟的方法,对锚索受拉与反转扭矩耦合效应展开研究,论文主要研究内容及结论如下:(1)采用自行研制的锚索拉力机,对三种不同直径锚索(9.5 mm,12.7 mm,15.2 mm),在不同锁固长度下进行了不转动与自由转动条件下的拉伸试验。结果表明:峰值拉力和峰值扭矩均随着锚索直径的增加而增大,锁固长度的影响效果不明显。锚索在不转动的情况下存在反扭矩,扭矩的变化分为弹、塑性阶段。基于扭矩-拉力曲线,拟合出不同直径锚索的扭矩经验公式。基于功能原理,提出了考虑拉力与反转扭矩解耦的锚索拉力公式;三种直径锚索用于解旋的拉力占总拉力的百分比分别为9%、10%和12%。(2)借助Costello钢丝绳弹性理论,建立了锚索受拉时力学模型,推导出锚索受拉时拉力及扭矩表达式。建立了锚索拉伸-扭转联合力学方程,从刚度矩阵的角度对拉扭耦合效应进行解释,并将理论推导与试验结果进行对比,验证了力学模型的准确性。(3)通过数值模拟,对比分析了锚索在不转动和自由转动条件下截面的等效应力、轴向应力、剪切应力和等效塑性应变,发现扭转加剧了锚索截面应力的不均匀程度,导致轴向应力均值降低和截面屈服的缓慢发展;发现随着捻角的增大,锚索的弹性模量和极限承载能力都在下降,且自由转动情况下降程度较为明显,扭矩和拉扭耦合系数均随着捻角的增加而增大。所得结论可为类似工程实践提供参考,为锚索拉扭耦合诱导锚固段失效机制研究奠定了基础。
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