树脂锚固左旋无纵筋螺纹钢锚杆外形优化研究.pdf

分类号分类号 学校代码学校代码 UDCUDC 密密 级级 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 树脂锚固左旋无纵筋螺纹钢锚杆树脂锚固左旋无纵筋螺纹钢锚杆 外形优化研究外形优化研究 Study on the Contour of Left-hand Twist Threaded Steel Bars without Longitudal Rib for Rock-bolts Anchored by Resin 研研 究究 生生 任任 硕硕 导导 师师 林林 健健 研究员研究员 学科专业学科专业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 巷道矿压理论与支护技术巷道矿压理论与支护技术 培养单位培养单位 煤科总院开采设计研究分院煤科总院开采设计研究分院 煤炭科学研究总院 2014 年 4 月 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 摘摘 要要 随着煤矿开采深度不断增加，复杂困难巷道大量涌现，锚杆全长预应力锚固的支 护方式是解决这类问题的有效手段，但是由于施工困难，成功率低，一直制约着它的 应用与推广，本文致力于通过优化锚杆外形的方法，在保证锚杆锚固性能前提下，解 决煤矿巷道全长锚固施工困难的问题。论文采用理论分析、实验室试验、数值模拟的 方法，对锚杆外形与锚杆锚固性能以及安装阻力之间的关系进行了研究，提出锚杆外 形相关参数的合理值。优化后的锚杆横肋高度由原来的 1.46mm 降低为 1.0mm，锚杆 横肋间距由原来的 11.05mm 增加到 33.15mm，横肋宽度由 3mm 增加到 9mm，横肋采 用交错布置的方式。对锚杆横肋高度和间距优化后，不但锚杆杆体的抗拉强度没有降 低，锚固长度 125mm 时锚杆的拉拔力比改进前反而提高了 7.7；锚杆安装过程中的 平均扭矩比优化前降低约 40，安装锚杆所需要的推力仅为优化前的 50左右，最大 值为 0.73kN。从根本上解决了锚杆全长锚固施工困难的问题，为全长锚固锚杆的大面 积推广应用奠定了基础。 关键词关键词横肋间距；横肋高度；横肋宽度；拉拔力；安装阻力；全长锚固 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II Abstract With increasing the depth of the coal mining, a large number of complex and difficult roadway emerged, bolt full-length prestressed anchor support is an effective means to solve this kind of problem, but the slow construction, the low success rate, has been restricting its application and promotion. This paper is committed to solve the difficult problem of coal mine roadway full-length anchoring through optimized anchor shape, under the premise of the guarantee of Anchor perance. The paper has used the theoretical analysis, laboratory testing, numerical simulation s, and research on the relationship between the bolt shape and anchorage bolt perance and installation resistance. Optimized bolt ribbed height is reduced from 1.46mm to 1.0mm, bolt rib spacing is increased from 11.05mm to 33.15mm, the bolt rib width increases from 3mm to 9mm, bolt ribs with staggered arrangement mode. Bolt after this improvement, not only the tensile strength of the bolt rod is not reduced ，when the pull-out test of the bolt is at 125mm , the bolt drawing force than the original but increased by 7.7; Installation process is reduced by about 40 than before optimization; the thrust to install bolt is about 50 of the original, with maximum of 0.73kN. It solves the difficult problem of bolt full-length anchoring, the full length prestressed anchor to a wide range of application and promotion. keywords bolt profile spacing；bolt profile height；bolt profile width；drawing force； installation resistance；full-length anchor 煤炭科学研究总院硕士学位论文 I 目目 录录 1 绪论 ..................................................................1 1.1 选题意义 ..........................................................1 1.2 研究现状 ..........................................................4 1.2.1 锚杆种类及其适用性 .............................................4 1.2.2 基于水泥黏结材料的螺纹钢外形研究现状 ...........................6 1.2.3 基于树脂黏结材料的螺纹钢外形研究现状 ..........................11 1.3 存在的问题 .......................................................15 1.4 主要研究内容 .....................................................16 1.5 研究方法与技术途径 ...............................................16 1.5.1 研究方法 .....................................................16 1.5.2 技术路线 .....................................................17 2 锚杆外形对锚固力及安装阻力影响的理论研究 .............................18 2.1 树脂锚杆锚固段传力机理研究现状 ...................................18 2.1.1 剪应力均匀分布假设 ............................................18 2.1.2 剪应力指数分布假设 ............................................19 2.1.3 剪应力分布中性点理论假设 .....................................22 2.1.4 剪应力 Gauss 曲线分布假设 .....................................24 2.2 根据锚杆横肋参数计算锚杆锚固力的数学模型 .........................26 2.3 锚杆安装阻力成因的简要分析 .......................................28 2.4 本章小结 .........................................................29 3 锚杆外形对锚固性能及安装阻力影响的实验室试验 .........................30 3.1 锚固性能试验 .....................................................30 3.1.1 试验仪器和试验材料 ...........................................30 3.1.2 试验方法和步骤 ...............................................34 3.1.3 现有的两种典型左旋无纵筋螺纹钢锚杆拉拔试验 ...................35 3.1.4 横肋间距为 11.05mm 时不同横肋高度锚杆拉拔试验 ..................37 3.1.5 横肋间距为 22.10mm 时不同横肋高度锚杆拉拔试验 ..................40 煤炭科学研究总院硕士学位论文 II 3.1.6 横肋间距为 33.15mm 时不同横肋高度锚杆拉拔试验 ..................43 3.1.7 不同横肋间距左旋无纵筋螺纹钢锚杆拉拔试验 ......................47 3.1.8 不同横肋布置方式锚杆拉拔试验 ..................................52 3.1.9 锚固性能试验总结 .............................................55 3.2 锚杆杆体的抗拉试验 ...............................................55 3.2.1 试验主要设备与材料 ...........................................55 3.2.2 试验方法与步骤 ...............................................56 3.2.3 试验结果与数据分析 ...........................................57 3.2.4 试验总结 .....................................................59 3.3 安装阻力及搅拌效果试验 ...........................................59 3.3.1 搅拌阻力试验 .................................................60 3.3.2 搅拌效果分析 ..................................................64 3.3.3 安装推力试验 ..................................................66 3.4 本章小结 .........................................................69 4 不同外形锚杆拉拔试验的数值模拟 .......................................71 4.1 模拟方法及模型建立 ...............................................71 4.1.1 模拟方法 ......................................................71 4.1.2 模型建立 ......................................................72 4.2 不同横肋间距锚杆拉拔试验的数值模拟 ...............................74 4.3 不同横肋高度锚杆拉拔试验的数值模拟 ...............................77 4.4 不同横肋宽度锚杆拉拔试验的数值模拟 ...............................81 4.5 本章小结 .........................................................84 5 结论与展望 ...........................................................85 5.1 主要结论 .........................................................85 5.2 研究展望 .........................................................86 参考文献 ...............................................................87 致 谢 .................................................................90 附件 ...................................................................91 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 选题意义选题意义 随着我国煤矿开采深度和强度的不断增加，地质条件的不断复杂化，涌现了大量 复杂困难巷道，主要有极破碎围岩巷道、松软膨胀围岩巷道、特大断面巷道、强烈动 压影响巷道等。这些巷道或者围岩变形强烈，或者顶板破碎、淋水、可锚性差，亦或 者极易偏帮，使用普通的支护方式无法有效控制围岩变形，保证生产安全，巷道在服 务期限内需要多次维修， 对煤矿的正常生产造成了极大的困扰[1-4]。 针对煤矿巷道支护 存在的问题，煤炭科学研究总院开采设计研究分院首先提出了全长预应力锚固的概 念，并在潞安矿业集团公司常村、漳村、屯留等矿井进行了现场应用。通过对巷道支 护效果的跟踪监测数据的分析，得出全长预应力锚固可以更为有效的控制复杂困难巷 道围岩变形，极大程度的减少巷道偏帮，保持巷道顶板的完整性，是解决复杂困难巷 道的支护问题的有效途径。因为全长预应力锚固，锚杆杆体对围岩变形和离层更为敏 感，能及时抑制围岩离层与滑动，支护系统刚度更高。 但是，全长预应力锚固技术在推广上却遭遇了极大的阻碍。全长锚固施工时，锚 杆安装费时费力，且成功率较低，增大了工人的劳动强度，影响了巷道掘进的效率甚 至有可能影响生产的接替，使得无论煤矿工人还是管理者对于全长预应力锚固技术的 应用还是持谨慎态度。不可否认的是，全长预应力锚固技术是目前解决复杂困难巷道 支护问题最为有效的途径，随着这类巷道的大量涌现，解决全长锚固施工困难的问题 迫在眉睫[5-10]。 经过分析，全长锚固施工的困难主要是因为锚杆安装时阻力比较大，特别是巷道 两帮锚杆安装时问题更为明显，巷道两帮锚杆需要通过人力推动锚杆钻机进行安装， 由于全长锚固所需药卷的增多，大大增加了搅拌阻力和安装锚杆所需要的推力，才致 使锚杆的安装极其费时费力，锚杆未安装到预定位置锚固剂就固化的问题时有发生， 造成了锚杆的大量浪费。安装阻力包括搅拌阻力和搅拌推力，搅拌阻力以扭矩的形式 出现。安装阻力影响因素主要有以下几个①“三径匹配”的关系②树脂锚固剂的黏 稠度和充填骨料粒径③锚杆杆体外形。如何优化这三个方面因素，达到合理的匹配， 是解决这一问题的合理途径。煤炭科学研究总院开采设计研究分院，前期首先从降低 锚固剂黏稠度方面进行了大量研究与试验，并采取合理的“三径匹配”，取得一定效 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 果，但是没有有效解决这一难题，每根帮锚杆的安装仍需要 34 人合力完成。结合 影响安装阻力的三个因素，本文提出从锚杆杆体外形优化入手解决全长预应力锚固施 工困难的问题。对于锚杆杆体外形的研究，与煤科总院开采设计研究分院提出的锚杆 支护系统精细化研究方向是相呼应的。煤科总院开采设计研究分院，将锚杆支护系统 中各影响因素、各构件进行分项深入研究，目前已经对锚杆杆体材料，锚杆托盘，锚 杆尾部螺纹，螺母，减摩球垫，金属网，W 钢带进行了深入研究，取得了显著成果， 大大改善了巷道状态及支护作用[5]。锚杆杆体的外形的研究，是对锚杆支护系统精细 化研究的一个方面。 图图1.1 常用金属锚杆类型常用金属锚杆类型 上世纪 90 年代以来，高强度树脂锚固锚杆以其优越的锚固效果和简便的施工工 艺，逐步取代了其它类型的锚杆，成为煤矿锚杆支护的主导型式 [11-14]。煤矿目前广泛 使用的树脂锚固金属杆体锚杆，按所使用钢筋外形可以划分为，圆钢锚杆和螺纹钢锚 杆。其中螺纹钢锚杆所使用的钢筋主要有建筑螺纹钢筋、精轧螺纹钢筋、左旋无纵筋 螺纹钢筋等三种，如图 1.1 [5]。圆钢锚杆因为其对树脂药卷搅拌效果差，锚固力较小， 已经逐步被螺纹钢锚杆所取代。建筑螺纹钢更是由于本身纵筋的存在，使得搅拌时纵 筋背部存在不充分搅拌的药剂，锚固剂得不到充分的搅拌自然不能完全发挥自身性 能；螺纹钢中的精轧螺纹钢的“倒药”效应，严重影响了其锚固性能。而左旋无纵筋 螺纹钢不存在以上问题，它可以充分搅拌药卷，并使得锚固剂得到充分的密实，目前 左旋无纵筋螺纹钢锚杆已经成为矿用锚杆的首选形式，在煤矿井下巷道支护中得到普 遍使用。鉴于左旋无纵筋螺纹钢锚杆的这些优点，本文选择在它的基础上进行锚杆外 形的优化。 从锚杆外形对锚固性能的影响方面来讲，对锚杆外形的研究是很有意义的。影响 树脂锚杆锚固性能的主要因素有以下几点一是树脂锚固剂与杆体之间的黏结强度； 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 二是树脂锚固剂和围岩之间的黏结强度；三是杆体本身的强度；四是锚固剂的性能； 五是围岩的强度[12-14]。在树脂锚固剂和围岩条件相同的条件下，影响锚杆锚固性能的 主要因素是树脂锚固剂与杆体之间的黏结强度。黏结力的主要来源有三个方面1胶 结力，接触面上的化学吸附作用；2摩擦阻力，由于接触面摩擦引起的，存在于已 发生滑移的钢筋表面；3咬合力，变形钢筋横肋与锚固材料之间的机械咬合作用。 构成黏结力的三个来源均与锚杆的外形和表面状态有很大关系[15, 16]。可见，锚杆外形 的改变可以提高或者降低锚杆锚固性能的。这也提醒我们在通过优化外形的方法降低 锚杆安装阻力时，应注重外形的变化对锚杆锚固性能的影响，保证外形优化后的锚杆 锚固性能不降低。 b β l b h α 图图 1.2 螺纹钢螺纹钢表面几何参数表面几何参数 从目前使用的左旋无纵筋螺纹钢锚杆来说，对锚杆外形进行优化研究是必要和可 行的。我国煤矿普遍采用的左旋无纵筋锚杆螺纹钢是在建筑螺纹钢的基础上改进而来 的，所以锚杆钢筋的外形以及横肋等各相关参数均是沿用建筑螺纹钢的标准。它的几 何参数包括横肋宽度 b、横肋高度 h、横横肋上升角 β 与肋间距 l 等，如图 1.2 所示。 这些参数都对锚固剂黏结力和锚杆的安装阻力产生不同程度地影响。建筑螺纹钢的外 形、横肋尺寸及肋间距等参数，是在粘结介质为混凝土的基础上进行的研究和合理化 设计，而锚杆主要是靠树脂锚固剂进行黏结，树脂锚固剂固化后的力学性能，如抗 压强度、黏结强度、弹性模量等方面均显著高于混凝土，所以对于树脂锚杆外形的研 究是有必要的。另外，当锚杆采用水泥浆锚固时，锚杆是先于浆液放入钻孔中的，所 以螺纹钢设计时没有将安装阻力这一因素考虑进去，而安装阻力过大是目前树脂锚固 锚杆急需解决的问题。因此，必须针对树脂锚固剂的性能对左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆 体外形进行优化，对横肋高度、横肋间距、横肋宽度、以及横肋上升角等进行详细研 究，以研制出更加合理的、适合树脂锚固的锚杆杆体外形 [15-20]。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 综上所述，对于左旋无纵筋螺纹钢锚杆杆体外形的研究是迫在眉睫的，更是有意 义和必要的，利用外形优化的方法，降低锚杆安装阻力是可行的。通过对锚杆杆体外 形的研究，可以对现有的锚杆进行优化，得到安装阻力小，锚固性能高的锚杆，从而 解决全长锚固施工困难的问题，使全长预应力锚固技术可以广泛的应用于煤矿巷道支 护，解决复杂困难巷道的支护问题。同时，通过对锚杆的优化，我们可使煤矿使用的 锚杆更加合理，具有更好的支护效果。 1.2 研究现状研究现状 1.2.1 锚杆种类及其适用性锚杆种类及其适用性 国内外锚杆种类很多，按锚固方式分类，可分为机械式、黏结式及混合式。 机械式锚固锚杆，其锚固装置或杆体与钻孔孔壁接触，靠摩擦力提供锚固力。 用锚固装置提供锚固力的机械式锚杆分楔缝式、倒楔式和涨壳式等；靠杆体摩擦提供 锚固力的锚杆分为管缝式和水力膨胀式。楔缝式和倒楔式锚杆对围岩要求比较高，围 岩强度较低时，锚杆容易划破孔壁而失效；水力膨胀式锚杆相对而言施工序工比较复 杂；管缝式锚杆，需要配合比锚杆直径小的钻孔进行安装，安装锚杆时劳动强度比较 大，有时工人为了安装方便，采用更大的钻孔直径，导致锚杆失去锚固效果。 黏结式锚固锚杆，其杆体部分或全长采用树脂、水泥等胶结材料，将杆体与钻孔 孔壁黏结在一起，以胶结材料的黏结力提供锚固力。黏结式锚固锚杆分为水泥、水泥 砂浆、树脂等类型。黏结式锚杆的结构简单，使用方便，锚固力大，并且可以增加锚 固长度或进行全长锚固， 进一步大幅度地提高锚固力， 是较为理想的顶板锚杆形式[21]。 混合式锚固锚杆，两种或两种以上的锚固方式混合使用，如涨壳式端部锚固与树 脂全长锚固相结合使用，不仅能在锚杆安装后立即施加较大的预应力，而且可实现全 长锚固。 这种锚杆由于施工程序复杂，成本高等原因，目前煤矿极少采用。 我国煤矿目前广泛采用的锚杆是树脂锚固金属杆体锚杆，按所使用钢筋外形可以 划分为， 圆钢锚杆和螺纹钢锚杆。 其中螺纹钢锚杆所使用的钢筋主要有建筑螺纹钢筋、 精轧螺纹钢筋、左旋无纵筋螺纹钢筋等三种（如图 1.3） 。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 a 精轧螺纹钢精轧螺纹钢 b 带纵肋建筑螺纹钢带纵肋建筑螺纹钢 c 左旋无纵筋螺纹钢左旋无纵筋螺纹钢 图图 1.3 矿用螺纹钢锚杆外形矿用螺纹钢锚杆外形 （（1））精轧螺纹钢锚杆精轧螺纹钢锚杆 精轧螺纹钢筋是在钢筋的表面全长范围内轧制出连续的螺纹形状，可以容许在钢 筋的任意一点进行锚固和螺纹连接，并且与混凝土之间有较好的握裹力。这种全螺纹 等强锚杆的优点是对顶板及煤帮的适应性强，特别是当围岩破碎、打设锚杆处凸凹 不平时，有利于实现贴帮贴顶。同时在巷修时，将锚杆截断后，仍可上托盘螺母护帮， 而且此种锚杆易于加工[22]。由于以上优点，使得全螺纹等强锚杆在个别矿区得到一定 范围的推广。但这种锚杆有其严重的缺陷，主要表现为①锚杆外表面右旋的螺纹在 搅拌树脂药卷时容易造成“倒药”现象，不能使锚固剂在孔内充填密实，从而影响锚 固效果，使锚固剂的黏结强度和弹性模量大幅度降低；②由于全螺纹等强锚杆的螺距 较大，螺母安装后，锚杆的预紧力偏小。根据实测结果，扭矩为 300N m 时，所提供 的预紧力仅为 10kN 左右，预紧力偏低，对围岩的加固效果差，特别是对于强度低的 层状复合顶板，致使岩层过早出现破碎现象，不能达到支护效果要求；③等强锚杆螺 母为精铸件，锚杆出现“退帽”现象经较为普遍。特别在炮掘施工巷道，由于放炮震 动，锚杆螺帽被震松的现象普遍发生，严重影响支护效果[23-25]。 （（2））建筑螺纹钢锚杆建筑螺纹钢锚杆 建筑螺纹钢筋在建筑行业最为常用，它通常带有2道纵肋和沿长度方向均匀分布 的横肋，横肋的外形分为人字形、螺旋形、月牙形等。由于钢筋表明肋的作用，钢筋 和混凝土有较大的黏结能力。但用于煤矿巷道和硐室支护的锚杆用钢，由于纵肋的存 在，使得纵肋后方锚固剂搅拌不充分，影响锚固效果。建筑螺纹钢，在锚杆用钢中已 经很少采用。 （（3 左旋无纵筋螺纹钢左旋无纵筋螺纹钢锚杆锚杆 左旋无纵筋螺纹钢筋是在建筑螺纹钢筋外形参数的基础上，结合树脂锚杆的施工 工艺和锚固特性而开发的钢材，是目前国内外广泛采用的锚杆钢材形式。左旋无纵筋 螺纹钢锚杆，左旋式的横肋有助于将锚固剂推向锚杆端部，使锚杆锚固段的锚固剂充 煤炭科学研究总院硕士学位论文 6 实紧密改善锚固效果；左旋式的横肋还有利于锚固剂的搅拌，因为横肋不仅在锚固剂 的径向方向上搅拌锚固剂，还会因横肋将锚固剂向锚杆端部推进，在锚固剂轴向方向 上搅拌锚固剂，从而使锚固剂在径向轴向两个方向上都得到搅拌，利于锚固剂的充分 固化，也能起到改善锚固效果的作用。另外，与精轧螺纹钢锚杆相比，左旋无纵筋螺 纹钢尾部的螺纹更有利施加预紧力，扭矩与预紧力的转化比较高，并且螺纹角度较小 有利于实现自锁功能，不会出现锚杆螺帽被震松的现象。正是因为这些优点，左旋无 纵筋螺纹钢锚杆已经成为煤矿用锚杆的主要形式。 1.2.2 基于水泥基于水泥黏结黏结材料的螺纹钢外形材料的螺纹钢外形研究现状研究现状 （（1））混凝土用钢混凝土用钢筋杆体形状筋杆体形状的研究的研究 武汉大学荣冠等对螺纹钢和圆钢在混凝土中的工作机理做了研究[26]。 指出螺纹钢 锚杆受力较圆钢深度小，衰减快。其轴向力的分布形式在荷载较低时与弹性理论解较 为接近。圆钢周边黏结物应力水平明显低于螺纹钢锚杆周边浅部黏结介质应力。试验 中圆钢以杆体整体拔出破坏，而螺纹钢锚杆则以杆体屈服形式破坏。反映相同工况下 两类锚杆锚固失效形式可能存在差异。实验室试验的结果清楚地反映了两类锚杆周边 混凝土应力、轴向应力、锚杆及混凝土变形破坏情况的差别。荣冠等认为，外表形态 不同，是造成其与黏结介质之间力学性状存在差别的本质原因。螺纹钢由于表面螺纹 起伏使其与黏结物之间存在剪胀、挤压、剪断等作用，从而较大地提高了锚固强度 [27-30]。这是工程上一般采用螺纹杆体的物理原因。荣冠等还指出，全长黏结锚杆荷载 影响深度较小，同时黏结介质对锚固强度有重要影响[31-34]。 沈文都等通过实验室拉拔试验，分别对光面钢筋、月牙型肋钢筋以及精轧螺纹钢 在混凝土中的黏结性能进行了研究[15, 35]。研究发现，光面锚杆表面生锈程度越重，其 黏结性能越好，经过涂蜡处理的光面钢筋黏结强度和刚度大幅降低，这证明了表面的 粗糙程度对黏结性能有者显著的影响。变形钢筋的黏结力来源于摩擦阻力及钢筋横肋 与横肋间混凝土齿的咬合作用。 钢筋在拉拔力作用下横肋下方混凝土局部破碎、 压密， 形成密实的挤压斜面。与精轧螺纹钢相比，月牙纹钢筋的黏结刚度较低，滑移开始较 早，发展也较快，黏结应力相同其滑移量比螺纹钢筋大。黏结强度和刚度降低是因月 牙纹钢筋外形与混凝土之间的咬合力较小的缘故。月牙纹钢筋滑移曲线的下降段较平 缓，后期强度相对较高，延性更好。这是由于其肋间形成的混凝土齿比较强，不易被 挤碎、剪断的缘故[36]。月牙型横肋钢筋在较大滑移变形下仍能维持一定抗力的特点， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 7 对结构抗震是一个重要的有利因素。月牙纹钢筋的劈裂方向性具有一定行。通常变形 钢筋劈裂均沿保护层最薄处发生。在混凝土壁等厚的情况下, 螺纹钢筋的劈裂裂缝多 呈辐射状而月牙纹筋一般集中在纵肋方向[37]。 （（2））混凝土用钢混凝土用钢筋筋横肋几何参数的研究横肋几何参数的研究 在混凝土用钢筋的设计中，认为相对肋间距和相对肋高与黏结有关。肋高增加可 增强混凝土与钢筋的咬合作用。同时钢筋本身的物理力学性能冷弯、疲劳、强度等相 对较差，肋间距减小可以增加咬合作用, 但也造成混凝土齿窄小, 抗剪能力降低。常 用相对肋面积作为综合评价变形钢筋的外形参数, 相对肋面积指横肋在与钢筋轴线 垂直的平面上的投影面积与公称周长和横肋间距的乘积之比[38-40]。世界各国对生产变 形钢筋时的最小相对肋面积都作出了规定。但是相对肋面积并不是反映钢筋黏结性能 的唯一指标。研究表明, 尽管粗变形钢筋的相对肋面积略有增加, 但其黏结强度反而 降低。比如在相同条件下Φ32与Φ16月牙纹筋相比, 黏结强度降低12.1。显然, 随直 径加大相对肋高的降低是引起这一现象的原因[15, 41-44]。 图图1 1. .4 4 苦卡劳法大学苦卡劳法大学A.A.k kilicilic试试验示意图验示意图 土耳其苦卡劳法大学的 A.kilic 等人，通过在圆钢上加不同齿形角的横肋，研究水 泥砂浆全长锚固状态下钢筋横肋齿形角对锚固力的影响，如图 1.4 所示[45-48]。试验采 用了，15 、30 、45 、60 、90 ，五种不同的齿形角，并且每种齿形角对应的钢筋， 还分为一条横肋，二条横肋和三条横肋等三种形式。把钢筋按横肋条数分为三组，进 行水泥浆全长锚固下的拉拔试验。研究发现，齿形角越小，它与锚固剂的咬合能力越 强，因而拥有更好的锚固效果，这对研究横肋上升角是一个有利的参考。随着横肋个 煤炭科学研究总院硕士学位论文 8 数的增加，钢筋锚固后的拉拔力也明显增加，并且同一载荷下的位移量大幅度降低， 这一结论与澳大利亚学者 N. J. Aziz 的研究相吻合。A.kilic 认为，光滑表面的钢筋， 其黏结强度主要取决于钢筋和水泥浆接触面的纯黏结力和摩擦力，而带肋钢筋的黏结 强度则取决于水泥浆的抗剪和抗压能力，这是由于横肋与水泥浆产生了极好的咬合形 态。另外，试验中还用 3 条横肋的钢筋与螺纹管进行了对比，结果显示，螺纹钢的锚 固性能要比三条横肋的钢筋差 20，这也说明了固定锚固长度下，横肋的个数不是越 多对锚固效果越好，而是有一个界限值。 针对混凝土用钢筋横肋的几何参数，国内外都已经做了充足的研究和试验，并且 经过现场运用的检验，可以说钢筋混凝土用钢筋的研究已经非常成熟。通过对混凝土 用钢筋大量的研究和实践，我国钢筋混凝土用钢国家标准 GB1499.2-2007热轧带 肋钢筋部分，对带肋钢筋横肋的设计做出如下规定 ①横肋与钢筋轴线的夹角 β 不应小于 45 ，当该夹角不大于 70 时，钢筋相对两 面上横肋的方向应相反； ②横肋间距 l 不得大于钢筋公称直径的 0.7 倍； ③横肋侧面与钢筋表面的夹角 α 不得小于 45 ； ④钢筋相对两面上横肋末端之间的间隙（包括纵肋宽度）总和不应大于钢筋公称 周长的 20； ⑤当钢筋公称直径不大于 12mm 时，相对肋面积不应小于 0.055；公称直径为 14mm 和 16mm，相对肋面积不应小于 0.060；公称直径大于 16mm 时，相对肋面积不 应小于 0.065。 ⑥带有纵肋的月牙肋钢筋，其外形如图 1.5 所示，尺寸及允许偏差应符合表 1.1 的规定。 ⑦不带纵肋的月牙肋钢筋，其内径尺寸可按表 1.1 的规定作适当调整，但重量允 许偏差仍应符合规定。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 9 h a h1 d1 θ b β l 图图 1 1. .5 5 月牙肋钢筋表面及截面形状月牙肋钢筋表面及截面形状 表表 1.1 建筑建筑螺纹钢外形尺寸螺纹钢外形尺寸 单位单位mm 公称公称 直径直径 d 内径内径 d1 横肋高横肋高 h 纵肋高纵肋高 h1 （不大于）（不大于） 横肋宽横肋宽 b 纵肋宽纵肋宽 a 间距间距 1 公称公称 尺寸尺寸 允许允许 偏差偏差 公称公称 尺寸尺寸 允许偏差允许偏差 公称公称 尺寸尺寸 允许允许 偏差偏差 6 5.8 0.3 0.6 0.3 0.8 0.4 1.0 4.0 0.5 8 7.7 0.4 0.8 0.4 -0.3 1.1 0.5 1.5 5.5 10 9.6 1.0 0.4 1.3 0.6 1.5 7.0 12 11.5 1.2 0.4 -0.5 1.5 0.7 1.5 8.0 14 13.4 1.4 1.8 0.8 1.8 9.0 16 15.4 1.5 1.9 0.9 1.8 10.0 18 17.3 1.6 0.5 2.0 1.0 2.0 10.0 20 19.3 0.5 1.7 2.1 1.2 2.0 10.0 0.8 22 21.3 1.9 0.6 2.4 1.3 2.5 10.5 25 24.2 2.1 2.6 1.5 2.5 12.5 28 27.2 0.6 2.2 2.7 1.7 3.0 12.5 1.0 32 31.0 2.4 0.8 -0.7 3.0 1.9 3.0 14.0 36 35.0 2.6 1.0 -0.8 3.2 2.1 3.5 15.0 40 38.7 0.7 2.9 1.1 3.5 2.2 3.5 15.0 50 48.5 0.8 3.2 1.2 3.8 2.5 4.0 16.0 煤炭科学研究总院硕士学位论文 10 （（3））混凝土用钢混凝土用钢筋筋关于横肋对称性的研究关于横肋对称性的研究 图图1.6 对称横肋和非对称横肋钢筋对称横肋和非对称横肋钢筋 郝瑞华等通过将钢筋的纵肋刨平不伤及横肋 ,在其表面连续等间隔刻线,将钢 筋观测部分划分为若干测量区间;然后进行拉伸,通过各测量区间轴向长度的相对变 化来反映变形在带肋钢筋轴向分布的方法，研究了横肋的对称性对钢筋轴向变形的影 响 [49]。 试验用材为Φ25 mm 热轧带肋钢筋20MnSi ,分横肋对称分布和非对称分布两 组。 其中横肋非对称分布的带肋钢筋,两侧横肋以肋间距的1/ 2 交替分布， 横肋与轴向 夹角β均为70 。 拉伸试验在1000kN数显万能液压试验机上进行。对拉伸试样重复加载，依次设 计塑性变形量为3、6、10。每次完成后，测量相应整体变形量下，各条刻线相 对基准线的位置 L i n ，各测量区间的长度ΔL i n ，以及各横肋最高点在钢筋轴向上 的投影位置Ai 、Bi ，并计算各测量区间的相对变形 ei n。 试验结果表明，不论横肋对称与否，钢筋沿轴向的变形都不均匀。但是，对称钢 筋呈明显周期性分布特征，而不对称钢筋的变形相对均匀，无明显规