玻璃鋼錨桿預緊力影響因素研究

薛福祥，劉建莊，李 準，楊 拓

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

錨桿支護是現代深井支護的重要手段，錨桿支護從過去到現在，經過長時間的改進與實踐，錨固性能正在不斷地前進與發展，錨固的形式也經過了從機械方式錨固、水泥砂漿錨固、樹脂錨固等多階段的發展；新型高強玻璃鋼錨桿具有耐腐蝕、易切割、高強度的性能在深井礦山得到了應用，通過實際驗證取得了很好的穩固效果和成本縮減[1-3]。新型高強預緊力玻璃鋼錨桿，通過分析影響預緊力的因素有利于更好地加強其錨固性能，促使錨桿桿體更好地發揮錨固效果，在巷道圍巖支護和工作面臨時支護的過程中避免出現因錨桿斷裂發生的傷人事故、更好地增強錨桿的錨固性能[4-7]。玻璃鋼錨桿包含整體式玻璃鋼錨桿和分離式玻璃鋼錨桿，整體式玻璃鋼錨桿桿體受力一致，桿體不易破壞，但其桿體表面螺紋不易加工，且螺母不易擰緊；分離式結構的玻璃鋼錨桿缺乏整體性，其錨尾螺紋與桿體通過一定的方式連接起來，由于尾部單獨連接，其尾部連接部位是強度最薄弱環節，在支護過程中容易松動而出現安全事故[8-11]。因此，分析玻璃鋼錨桿的預緊力在支護中顯得更加重要，目前整體式全螺紋玻璃鋼錨桿在礦山支護應用中較多，但是玻璃鋼錨桿在錨固的過程中除了其部分組件包含托盤、螺母等構件外，其預緊力的大小也是評估錨固性能的重要標準，評判預緊力就要分析其影響因素，分析其組件對預緊力的影響，進而分析錨固性能的強弱。

1 錨桿預緊力試驗

1.1 試驗方式

試驗一共有4小組，通過施加不同的扭矩分析不同的預緊力下錨桿的受力情況，采用不同的錨桿扭矩，不同直徑的錨桿而獲得不同的預緊力，預緊力的大小主要是通過預緊力試驗裝置的大小來判斷的，然后記錄試驗所得數據，通過橫向、縱向去分析不同的扭矩對錨桿預緊力的影響，預緊力試驗裝置如圖1所示。

1-錨桿托盤；2-錨桿測力計；3-旋轉扭矩扳手；4-螺母；5-壓力表圖1 扭矩-預緊力試驗裝置示意Fig.1 Test device for torque-preload

1.2 試驗方案

試驗采用2種不同直徑的玻璃鋼錨桿進行，分別是φ20 mm和φ25 mm錨桿，其型號、材質、螺紋距離、牙高都選取相同的錨桿。然后，通過預緊力試驗裝置的壓力表來進行直接讀取，施加的錨桿預緊扭矩情況分別為40 N·m、80 N·m、160 N·m、400 N·m，錨桿預緊力情況見表1。

表1 錨桿預緊扭矩對錨桿預緊力的影響

1.3 試驗結果

由表1可以看出，玻璃鋼錨桿的扭矩是影響錨桿預緊力的重要原因。首先，在相同的扭矩下，直徑20 mm錨桿的預緊力相對直徑25 mm錨桿的預緊力較大。預緊力的施加強度最后都要反映到它的錨固性能上，直徑20 mm的玻璃鋼錨桿當施加400 N·m的時候它的預緊力可以達到56.4 kN，與直徑25 mm的玻璃鋼錨桿相差11 kN。其次，經過試驗得出的玻璃鋼錨桿的實測預緊力的大小都要小于理論值，這與實際測量過程中測試的手段、過程損耗、試驗的步驟都有一定的關系。

2 影響預緊力的因素

2.1 預緊力與扭轉力矩的關系

扭轉力矩是影響預緊力大小的重要因素，施加不同的力矩，錨桿會有不同的預緊力，在材質、長度、直徑等一定條件下使得錨桿的錨固性能更加充分發揮是研究扭轉力矩的重要原因。根據預緊力的計算公式可以知道支護過程中預緊力、預緊扭矩、預緊系數的關系

(1)

式中，F為玻璃鋼錨桿預緊力；M為錨桿施加的扭矩；d為玻璃鋼錨桿直徑；K為錨桿扭矩系數，它與錨桿的直徑、材質、接觸面、螺紋形式有著直接的關系[12]。從預緊力計算公式可以看出，玻璃鋼錨桿的直徑與扭矩系數具有一致的變化關系，玻璃鋼錨桿的預緊力的大小需要通過改變錨桿的直徑和錨桿的扭矩系數來提高[13]。

2.2 螺紋螺距、牙高與預緊力的關系

2.2.1 螺紋螺距的影響

為了分析不同高度的螺紋螺距和螺紋牙高與玻璃鋼錨桿預緊力之間的關系，分別選取了不同玻璃鋼錨桿的螺紋螺距、螺紋牙高，進行了不同試驗，觀察與記錄得出影響玻璃鋼錨桿預緊力的影響因素。對于高強玻璃鋼錨桿，分組實現對不同長度的螺紋螺距、不同長度的牙高進行錨桿預緊力大小的試驗。錨桿的螺紋螺距存在大小不同的間距，選取合適的螺紋螺距對于研究玻璃鋼錨桿的預緊力具有重要的意義[14-15]。采用不同型號的螺紋螺距，再選取不同的扭矩進行試驗，試驗所采用的螺紋螺距分別為1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm。通過設置不同的螺紋螺距進行相同扭矩的試驗以后進行數據記錄，試驗一共收集了8組不同的數據，在相同扭矩的情況下研究不同的螺紋螺距的錨桿預緊力的大小，如圖2所示。

通過圖2可知，隨著錨桿扭矩增大，3種不同螺紋螺距的玻璃鋼錨桿的預緊力在逐漸增大，但是變化程度卻不相同，螺紋螺距越小它的預緊力就越大，螺紋之間的咬合程度也就越強；固定橫坐標扭矩分析，不同螺距的玻璃鋼錨桿可以看出它的預緊力是不同的，其預緊力從1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm的預緊力依次變小。如果繼續增加錨桿的扭矩，可以看出其預緊力變化不明顯，但是螺紋螺距為1.0 mm的錨桿正在不斷的增長，因此，適當減小螺紋螺距可以提高錨桿的預緊力。

圖2 扭矩-預緊力與不同螺紋螺距關系Fig.2 Relationship between torque-preload and different thread pitches

2.2.2 螺紋牙高的影響

螺紋牙高的大小也是影響錨桿預緊力的重要原因，分析不同的螺紋牙高對于錨桿預緊力的影響有著重要的意義。試驗采用了螺紋牙高為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm的牙高，當扭矩為200 N·m時，螺紋牙高0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm的錨桿預緊力分別為5 T、2.5 T、1.6 T，不同試驗數據所顯示的螺紋牙高它們的扭矩預緊力的大小分別為0.02 T/(N·m)、0.013 T/(N·m)、0.009 T/(N·m)；當扭矩為300 N·m時，螺紋牙高0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm的錨桿預緊力分別為6.5 T、5.0 T、2.6 T，對應的扭矩-預緊力轉化率分別為0.015 T/(N·m)、0.012 T/(N·m)、0.005 T/(N·m)。

據圖3可以看出，當扭矩150 N·m之后，不同螺紋牙高的錨桿差距在變大。在扭矩達到150 N·m以后，0.2 mm牙高的遞增趨勢相對于0.4 mm、0.6 mm在變大。因此，當扭矩在大于150 N·m以后0.2 mm的螺紋牙高能夠獲得更大的錨桿預緊力。

圖3 扭矩-預緊力與不同螺紋牙高關系Fig.3 Relationship between torque-preload and different thread height

2.3 試驗結論

預緊力扭矩是影響玻璃鋼錨桿預緊力的直接原因，在玻璃鋼錨桿直徑可承受的錨固范圍之下可以通過加大扭矩的方法改變預緊力。其次，經過試驗可以看出在相同直徑、相同材質等唯一變量的情況下螺紋螺距越大對應的螺母與桿體之間的摩擦力越大，扭矩轉化為預緊力的部分就越少。最后試驗得出，玻璃鋼錨桿可以選取螺紋螺距1.0～2.0 mm、螺紋牙高0.2～0.3 mm的螺紋間距和螺紋牙高，來使螺紋與螺距能更好地與圍巖進行錨固，增強錨固性能，維護圍巖的穩定，防止錨桿的打滑與松動現象，進而提高錨桿的預緊力。

3 結論

(1)隨著錨固時間的延長，錨桿初錨預緊力也在逐漸降低，因此在錨桿安裝完成以后，需要階段性的重置系統，加強錨桿螺母的預緊力，實現二次預緊力的加強。

(2)相同直徑、相同扭矩的玻璃鋼錨桿，牙高的大小對預緊力影響也不同，如果采用相同材質、相同直徑的錨桿施工時，牙高較小的錨桿在增強錨桿的預緊力方面具有明顯的優勢，建議牙高保持0.2～0.3 mm，螺距保持1～2 mm，但是減小玻璃鋼錨桿的牙高，其制作工序必然會增加，其成本也會上升。

(3)錨桿預緊力的大小除了在其配件和錨桿的螺紋螺距、牙高等方面進行研究之外，還可以對錨桿的預緊力的器具進行改進，采用預緊力放大器等方式加強對預緊力的施加。

(4)錨桿預緊力的研究除了進行必要的技術措施改進以外，還應加強對錨桿的管理與維護，定期安排專業人員進行錨桿預緊力的監測與管理，做好對玻璃鋼錨桿的施工記錄以及后期的保養措施等。