[发明专利]一种锚杆施加预应力的数值模拟方法

摘要

一种锚杆施加预应力的数值模拟方法，包括以下步骤：（1）、先假定预应力施加时期的围岩与锚杆都处于弹性状态；（2）、建立数值模型；（3）、移除托盘，加载拉力；（4）、安装托盘，撤去拉力。本发明避开了螺母等实际工程中的预应力施加构件，考虑托盘的工作特性提出模拟预应力施加及托锚力的等效方法，使预应力施加及托盘传力等过程实现工程尺度的模拟。具有计算精度高、考虑托盘作用、计算代价小的特点。

主权项

一种锚杆施加预应力的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）、先假定预应力施加时期的围岩与锚杆都处于弹性状态；以锚杆外端部为坐标原点O，建立直角坐标系，其中X方向为垂直于锚杆轴向的方向，Y方向为锚杆中轴线方向；由于预应力的加载方向与X方向垂直，且锚杆刚度很大，弹性模量E=210GPa，可忽略预应力施加时期X方向的应力及变形；（2）、建立数值模型：需要进行建立模型的部件为岩体内钻孔、锚杆、锚杆体表面沿轴向方向设置的螺旋状的横肋以及锚固剂，锚杆采用螺纹钢，锚固剂采用树脂环；设置各部件的具体参数，并设定各部件的力学属性；分别对杆体、树脂、钻孔、托盘进行建模，并组装至相应位置，并将相接触的面“绑定约束”；绑定约束的含义为：将各个部件的相接触的界面进行合并，使得界面不能分开与滑移；（3）、移除托盘，加载拉力；将锚杆与其周围锚固范围内的岩体看做单向弹簧，在锚杆外端部沿Y方向施加拉力F1，此时拉力与锚杆的伸长量之间的关系为：（1）l为锚杆长度，Ea为锚杆弹性模量，Aa为锚杆截面积，此时锚杆端部a与坐标原点O间距为；采用“生死单元（*model change，remove）”命令移除托盘，在移除托盘的同时在其上附加的约束也一同被移除，于锚杆外端部尾部施加拉力F1，计算达到平衡状态；其中“生死单元”为有限元计算中的一种用于移除与激活单元集的方法，在这里，将托盘看做一个单元集，用此命令实现移除托盘的目的；（4）、安装托盘，撤去拉力；采用“生死单元（*model change，add）”命令再激活托盘，与其附加的绑定约束一同被激活，此时，托盘面与岩体紧密贴合，“中轴”与杆体紧密贴合；然后撤去锚杆拉力F1，计算至平衡状态，此时杆体剩余有残留的拉应力，即为所施加的预应力值。