本發(fā)明屬于巷道支護(hù)數(shù)值計算領(lǐng)域，具體涉及一種用于分析錨桿拉伸承載特性的計算方法。

背景技術(shù)：

1、錨單元是三維有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件flac3d中的一種結(jié)構(gòu)單元。錨單元考慮了錨桿與圍巖間接觸關(guān)系，能模擬錨桿與圍巖間力學(xué)傳遞過程，在巷道支護(hù)數(shù)值計算領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2、但查閱flac3d手冊可知，flac3d為了簡化計算，把錨單元簡化為理想彈塑性模型并模擬錨桿拉伸承載特性。基于該假設(shè)，使用錨單元模擬錨桿時，當(dāng)錨桿受到拉伸后，隨拉伸位移增大，錨桿內(nèi)拉力線性增加至抗拉極限；隨后，隨拉伸位移繼續(xù)增大，錨桿內(nèi)拉力保持恒定。

3、對錨桿開展拉伸實(shí)驗(yàn)并獲得荷載-拉伸位移曲線可知，錨桿受到拉伸后荷載-拉伸位移曲線可詳細(xì)分為五個階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、局部變形階段、破斷階段。

4、對比錨單元模擬結(jié)果與錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，使用錨單元模擬錨桿時存在以下不足：

5、(1)錨單元使用理想彈塑性模型模擬錨桿，過度簡化了錨桿拉伸承載特性。錨單元考慮了錨桿受載后線彈性變形特性。因此，當(dāng)錨桿受到拉伸后，錨單元能較好地反映錨桿線彈性變形特性。但當(dāng)錨桿線彈性變形結(jié)束后，錨單元使用理想塑性模型模擬了錨桿屈服行為、應(yīng)變硬化行為、應(yīng)變軟化行為和破斷行為。這與實(shí)驗(yàn)中錨桿拉伸承載特性明顯不符。

6、(2)錨單元將錨桿屈服荷載和錨桿抗拉極限簡化為同一力，無法體現(xiàn)錨桿屈服荷載和錨桿抗拉極限間區(qū)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，錨桿抗拉極限明顯大于錨桿屈服荷載。因此，使用錨單元無法反映錨桿屈服荷載和錨桿抗拉極限間差異。

7、(3)錨單元未考慮錨桿應(yīng)變硬化特性和應(yīng)變軟化特性。錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，錨桿在屈服階段后會表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，即隨拉伸位移增加，錨桿拉力非線性增加至抗拉極限。達(dá)到抗拉極限后，隨拉伸位移繼續(xù)增加，錨桿拉力非線性下降，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。而錨單元模擬錨桿時均未考慮上述兩種特性。

8、(4)錨單元未考慮錨桿破斷特性。錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在局部變形階段結(jié)束后，隨拉伸位移繼續(xù)增加，錨桿會發(fā)生破斷。此時，錨桿承載力迅速下降至零。而錨單元使用理想塑性模型模擬錨桿?；谠撃Ｐ停^單元模擬的錨桿不會破斷，只會表現(xiàn)出峰后拉伸位移持續(xù)增大且拉力保持恒定的現(xiàn)象。這與錨桿實(shí)際承載性能明顯不符。

9、針對上述問題，本發(fā)明基于修正的錨單元，提供一種用于分析錨桿拉伸承載特性的計算方法。所述計算方法能考慮錨桿拉伸過程中的線彈性特性、屈服特性、應(yīng)變硬化特性、應(yīng)變軟化特性、破斷特性，可較好地用于錨桿拉伸承載性能分析中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于分析錨桿拉伸承載特性的計算方法。該方法改善了flac3d中原始錨單元無法有效模擬錨桿拉伸承載特性的缺陷。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，提供一種用于分析錨桿拉伸承載特性的計算方法，包括生成錨單元、定義大變形計算模式、定義屬性參數(shù)、定義fish函數(shù)"initialise"、執(zhí)行fish函數(shù)"initialise"、定義fish函數(shù)"modifying"、執(zhí)行fish函數(shù)"modifying"。

3、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：生成錨單元時需定義錨單元起點(diǎn)、錨單元終點(diǎn)、錨單元數(shù)量這三項(xiàng)參數(shù)且錨單元數(shù)量大于1。

4、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：定義大變形計算模式時，大變形計算模式為"false"。

5、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：屬性參數(shù)包括十一項(xiàng)參數(shù)，包括"s2_times"、"s3_variable"、"s3_power"、"s3_interval"、"s4_increment"、"s4_coefficient"、"s5_disp"、"recording_flag"、"stage_flag"、"yield_force"、"tensile_failure_force"；"s2_times"參數(shù)為錨桿屈服階段結(jié)束時拉伸位移與屈服階段開始時拉伸位移比值；"s3_variable"參數(shù)、"s3_power"參數(shù)、"s3_interval"參數(shù)分別為應(yīng)變硬化基數(shù)、應(yīng)變硬化收縮量級、應(yīng)變硬化基礎(chǔ)增量；"s4_increment"參數(shù)、"s4_coefficient"參數(shù)分別為應(yīng)變軟化相對初始值、應(yīng)變軟化收縮系數(shù)；"s5_disp"參數(shù)為錨桿拉破斷時對應(yīng)的拉伸位移；"recording_flag"參數(shù)、"stage_flag"參數(shù)、"yield_force"參數(shù)、"tensile_failure_force"參數(shù)分別為記錄狀態(tài)參數(shù)、階段狀態(tài)參數(shù)、錨桿屈服力、錨桿抗拉極限，"s4_increment"參數(shù)、"recording_flag"參數(shù)均設(shè)定為0；"stage_flag"參數(shù)設(shè)定為1。

6、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：fish函數(shù)"initialise"邏輯結(jié)構(gòu)如下：基于指針變量pnt遍歷每一個錨單元，在遍歷過程中執(zhí)行下列操作：將"yield_force"參數(shù)賦值給"struct.cable.yield.tension"函數(shù)；將第一公式計算結(jié)果賦值給"struct.cable.area"函數(shù)；將錨桿楊氏模量數(shù)值賦值給"struct.cable.young"函數(shù)；將錨固界面黏結(jié)剛度數(shù)值賦值給"struct.cable.grout.stiffness"函數(shù)。

7、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：fish函數(shù)"modifying"邏輯結(jié)構(gòu)如下：在每一個時間步均執(zhí)行fish函數(shù)"modifying"；取出錨單元拉伸端沿拉伸方向的不平衡力并賦值給"force"變量，取出錨單元拉伸端沿拉伸方向的拉伸位移并賦值給"disp"變量；執(zhí)行第一個一級判斷流程；執(zhí)行第二個一級判斷流程。

8、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：在每一個時間步均執(zhí)行fish函數(shù)"modifying"。

9、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：第一個一級判斷流程為，判斷"force"變量是否大于等于"yield_force"參數(shù)；若第一個一級判斷為是，開展第一個二級判斷，即判斷"recording_flag"參數(shù)是否為零；若第一個二級判斷為是，將"disp"變量賦值給"disp_stage2_start"變量，將第二公式計算結(jié)果賦值給"disp_stage2_end"變量，將1賦值給"recording_flag"變量，將2賦值給"stage_flag"變量并結(jié)束第一個二級判斷；開展第二個二級判斷，判斷"disp"變量是否大于"disp_stage2_end"變量，若第二個二級判斷為是，開展三級判斷，即判斷"force"變量是否小于"tensile_failure_force"參數(shù)，若三級判斷為是，開展四級判斷，即判斷"stage_flag"變量是否小于4，若四級判斷為是，基于指針變量pnt遍歷每一個錨單元，在遍歷過程中將第三公式計算結(jié)果賦值給"struct.cable.yield.tension"函數(shù)；將第四公式計算結(jié)果賦值給"s3_variable"變量并結(jié)束四級判斷；若三級判斷為否，將4賦值給"stage_flag"變量并結(jié)束三級判斷；結(jié)束第二個二級判斷；結(jié)束第一個一級判斷。

10、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：第二個一級判斷流程為，判斷"stage_flag"參數(shù)是否等于4；若第二個一級判斷為是，執(zhí)行第三個二級判斷，即判斷"disp"變量是否小于等于"s5_disp"參數(shù)，若第三個二級判斷為是，基于指針變量pnt遍歷每一個錨單元，在遍歷過程中將第五公式計算結(jié)果賦值給"struct.cable.yield.tension"函數(shù)；將第六公式計算結(jié)果賦值給"s4_increment"變量；若第三個二級判斷為否，基于指針變量pnt遍歷每一個錨單元，在遍歷過程中將0賦值給"struct.cable.yield.tension"函數(shù)，將1賦值給"struct.cable.young"函數(shù)；結(jié)束第三個二級判斷；結(jié)束第二個一級判斷。

11、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步描述：第一公式為a＝0.25πd2，其中a為錨桿橫截面積，d為錨桿直徑；第二公式為dse＝dssst，其中dse為屈服階段結(jié)束時錨桿拉伸位移，dss為屈服階段開始時錨桿拉伸位移，st為"s2_times"參數(shù)數(shù)值；第三公式為其中y為動態(tài)拉力，yf為"yield_force"參數(shù)數(shù)值，sv為"s3_variable"參數(shù)數(shù)值，sp為"s3_power"參數(shù)數(shù)值；第四公式為sv＝sv+si，其中si為"s3_interval"參數(shù)數(shù)值；第五公式為其中tf為"tensile_failure_force"參數(shù)數(shù)值；sc為"s4_coefficient"參數(shù)數(shù)值；sin為"s4_increment"參數(shù)數(shù)值；第六公式為sin＝sin+0.001。

12、本發(fā)明提供了一種用于分析錨桿拉伸承載特性的計算方法，具備以下有益效果：

13、(1)將錨單元受拉過程分為五個階段，分別是彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、局部變形階段、破斷階段。與原始錨單元計算方法相比，本發(fā)明考慮了強(qiáng)化階段、局部變形階段、破斷階段，能更好地反映錨桿拉伸承載特性。

14、(2)本發(fā)明定義了"yield_force"參數(shù)和"tensile_failure_force"參數(shù)。兩項(xiàng)參數(shù)分別為錨桿屈服力和錨桿抗拉極限。因此，本發(fā)明區(qū)分了錨桿屈服力和錨桿抗拉極限。這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)中錨桿拉伸承載特性更相符。

15、(3)針對強(qiáng)化階段，本發(fā)明提出了第三公式并用以描述錨單元應(yīng)變硬化特性?；诘谌?，錨單元受拉且進(jìn)入強(qiáng)化階段后，錨單元拉力隨拉伸位移增加非線性增加至抗拉極限。這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)中錨桿應(yīng)變硬化特性一致。

16、(4)針對局部變形階段，本發(fā)明提出了第五公式并用以描述錨單元應(yīng)變軟化特性?；诘谖骞?，錨單元受拉且進(jìn)入局部變形階段后，錨單元拉力隨拉伸位移增加非線性下降。這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)中錨桿應(yīng)變軟化特性一致。

17、(5)本發(fā)明為錨單元定義了破斷階段。本發(fā)明為錨單元受拉后是否進(jìn)入破斷階段設(shè)計了判斷準(zhǔn)則?；谂袛鄿?zhǔn)則可判斷錨單元受拉后是否已進(jìn)入破斷階段。若進(jìn)入破斷階段，錨單元瞬間失去承載力。與原始錨單元無法考慮錨桿破斷行為相比，本發(fā)明能準(zhǔn)確模擬錨桿受拉后的破斷行為。這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)中錨桿破斷失效行為一致。