多支點吸能錨桿力學性能影響因素的研究

王英芳，蔣亞

（1.成都現代萬通錨固技術有限公司，成都 610000；2.西南交通大學生命科學與工程學院，成都 610031）

1 引言

隨著我國鐵路建設的發展，現行鐵路標準（TB/T 3209-2008）中對中空錨桿的抗拉能力和延伸率等力學性能提出了較高要求。目前傳統中空錨桿產品采用錨桿熱軋式的生產方式，為滿足鐵路標準中的強度要求，只能通過采用較厚的鋼管作為熱軋材料，增加了中空錨桿的壁厚，導致其內部空間較小，內部注漿變得困難，注漿壓力衰減損失巨大，影響其性能。同時由于加大鋼材用量，增加了生產成本。本文從錨桿本體的結構設計、材料選擇和加工方法入手，開發新型高強度輕型中空錨桿[1]。該錨桿采用鋼號45的無縫鋼管，控制軋制的生產方式，將加熱裝置、控制軋制裝置以及多個溫度感應裝置全部設置安裝在同一條智能生產線上，使得加熱、控制軋制、冷卻三個步驟在同一生產線上一次完成。生產過程中，通過不斷的溫度檢測、反饋，對加熱設備、軋制設備和熱處理的各種參數進行調整，以提高錨桿本體的力學強度。另一方面，如圖1(a)所示,在錨桿體設置多個旋轉膨脹機構和自由段(隔離護套中的錨桿體)。轉動錨桿體使旋轉膨脹結構膨脹與錨孔壁相互擠壓形成支點，錨桿即刻形成對圍巖的支護作用。然后通過高壓注漿充實錨孔和圍巖，同時使這些支點和錨固材料（通常為水泥漿或水泥砂漿）結合形成穩固的錨固段，錨固段與其間的自由段構成一個完整的錨固單元。當圍巖膨脹變形或是滑移時，錨固段承擔荷載，而其間的自由段則受拉變形，在高荷載水平下均勻伸長，吸收圍巖變形過程中釋放的能量，使巖體逐步進入一個穩定的低能態狀態，實現錨桿的柔性支護。為適應不同軟、硬種類的圍巖，膨脹結構可選擇不同形式，圖1(b)顯示為A型膨脹結構，適用于較硬圍巖；圖1(c)顯示為B型膨脹結構，適用于較軟圍巖。每個錨固單元獨立發揮支護功能，任何一個單元受到破壞不影響另一單元的錨固功能，充分利用錨桿。普通錨桿的錨固力大小與形成時間與錨固劑材料凝結性能有關。但無論選用哪種錨固劑都不可能立即形成錨固力，而多支點吸能錨桿由于結構上的特點，在將錨桿插入錨孔后，只需旋轉錨桿，膨脹結構就可以立即形成錨固力，這可大大提升工程施工的安全性。多支點吸能錨桿完全失效需要吸收三種能量，即：彈性形變吸收能量、塑性變形吸收能量和頸縮變形吸收能量，具有很強的支護能力，而普通錨桿僅能在彈性變形區發揮作用。

圖1 多支點吸能錨桿結構圖

2 錨桿試件原料及試驗方法

本文采用試件為45號鋼材質 (見表1)，試樣直徑為Φ25mm。試驗方法為GB/T 228.1-2010,采用標準為GB50086-2015，測試儀器為SCS032-1型萬能試驗機。

表1 試件材質元素分析(%)

3 試件制備與性能測試

工藝路線：熱處理無縫鋼管→中頻感應加熱→三軸錨桿滾軋機→ 控溫軋制（進口溫度650～700oC，出口溫度350～400oC)→冷卻→錨桿→鋸切→錨桿拉伸。

無縫鋼管經高溫正火或球化退火后軋制加工螺紋，軋輥傾角≈7o，軋輥轉速≈50轉/分，加熱電流≈50A。試樣1、2為一組，通過正火與退火處理；試樣3、4為一組，只通過正火處理；試樣5、6為一組，通過退火處理。

表2 錨桿試件熱處理條件及其力學性能數據

4 結果與分析

錨桿試樣的力學性能主要受到熱處理條件和軋制條件的影響[2，3]，本文選擇軋制溫度為700℃ 以下，既考慮到利用變形組織的再結晶過程提高塑形，也考慮到保留熱處理后材料強度，因此確定生產工藝中軋制進口溫度為650-700℃[4]，而主要討論熱處理條件對性能的影響。

從6組試樣的熱處理條件及其對應屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率數據來看，第1、2號試樣進行了高溫正火以及球化退火，然后軋制加工得到，所得到的產品平均屈服強度約為444 MPa、平均抗拉強度約為706 MPa、平均斷后伸長率約為21%。第3、4號試樣只進行了高溫正火，然后軋制加工得到，所得到的產品平均屈服強度約為383 MPa、平均抗拉強度約為620 MPa、平均斷后伸長率約為15%。第5、6號試樣沒有進行高溫正火，只進行了球化退火，然后軋制加工得到，所得到的產品平均屈服強度約為445 MPa、平均抗拉強度約為704 MPa、平均斷后伸長率約為22%。6組試樣的抗拉強度均大幅優于其他同尺寸中空錨桿485 MPa的抗拉強度值[5]。

進行高溫正火和球化退火都是為了便于其后錨桿螺紋的軋制加工，同時正火和球化退火溫度都能有效降低無縫鋼管制備過程中的內應力[6]。球化退火可使冷卻過程中產生的片狀珠光體轉變為球狀珠光體，有效降低硬度，為其后的軋制加工提供條件，減少材質基體內部的尖端裂紋，提高塑形變形能力。軋輥機上軋制螺紋后，表面形變強化提高基體強度。試樣3、4只進行了高溫正火處理，其屈服、抗拉強度和變形能力都比較小，因為該溫度下，奧氏體晶粒充分生長而尺寸偏大，基體強度因晶間缺陷較多而下降。而試樣1、2的屈服、抗拉強度和形變數值有所上升，表明球化退火能減輕部分高溫正火帶來的不利因素。在球化退火過程中，滲碳體球化，減輕了片狀珠光體對基體材料的割裂程度，使試樣的強度和變形能力都有所提高。試樣5、6的屈服強度和抗拉強度等數據與試樣1、2的數據相近，表明球化退火對試樣強度和形變能力起到主要作用。在后續的錨桿螺紋軋制過程中，軋機進口溫度設置為650～700oC，出口溫度350～400oC，使熱處理影響因素終獲得較高強度和較大變形能力的錨桿產品。

圖2 錨桿使用效果圖

現有普通中空錨桿的結構如圖2(a)所示，安裝完成的中空錨桿和錨孔壁相接觸的僅有錨頭和

止漿塞，兩個配件承受了所有端面壓力，當錨孔內形成1MPa壓力，則會對錨桿及止漿塞產生約1300N(約130kg)拉拔力，壓力越高，錨頭和止漿塞越難以長期保持錨固能力。文獻報道：對普通錨桿可通過熱處理材料本身和加粗錨桿尾部的方式提高錨桿性能[7]，且實際效果顯著，類似本文采用熱處理基體材料和特殊膨脹結構增大錨固面。多支點吸能錨桿如圖2(b)所示，在錨孔內有多個膨脹結構錨固點的支撐，錨桿體鎖緊之后能夠承受超過50000N（約5000 kg）以上拉拔力，即使是超高壓注漿和保壓也均可順利實施。即使部分支點間發生斷裂，其余支點間的錨固作用仍能發揮。

5 結論

本文通過對多支點吸能錨桿抗拉強度和斷后伸長率的研究，得到以下主要結論：試驗的熱處理條件對錨桿強度和形變能力有明顯的影響，高溫正火處理獲得的平均屈服強度383 MPa、平均抗拉強度620 MPa、平均斷后伸長率15%，低于球化退火處理后獲得的平均屈服強度445 MPa、平均抗拉強度704MPa、平均斷后伸長率22%。提高后的力學性能，配合多支點吸能錨桿的特殊結構，能有效提高錨桿的支護能力。