加载速率对ACC结构抗剪性能的影响

单仁亮; 肖圣超; 宋威; 柏皓博; 李泳臻; 赵鑫鹏; 仝潇

doi:10.11883/bzycj-2024-0403

加载速率对ACC结构抗剪性能的影响

doi: 10.11883/bzycj-2024-0403

1.
中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院，北京 100083
2.
河北工程大学地球科学与工程学院，河北邯郸 056038

基金项目: 国家自然科学基金（52274148）

详细信息

作者简介:
单仁亮（1964－　），男，博士，教授，博士生导师，srl@cumtb.edu.cn

通讯作者:
肖圣超（1996－　），男，博士研究生，xsc15650702592@126.com

中图分类号: O383
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出版历程
- 收稿日期: 2024-10-23
- 修回日期: 2025-01-06
- 网络出版日期: 2025-01-07

Effect of loading rate on the shear performance of ACC structures

1.
School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China
2.
School of Earth Science and Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, Hebei, China

摘要

摘要: 通过试验和数值模拟分析，研究了锚索和新型管索组合结构（anchor cable with C-shaped tube，ACC）在不同加载速率条件下的双结构面剪切力学特性和变形破坏机制。在混凝土试块强度为55 MPa，预应力为200 kN条件下，分别以2、10、20、30、40 mm/min的剪切位移加载速率进行双结构面剪切试验。试验以剪切变形曲线、结构峰值剪切荷载、钢丝破坏形态和结构面抗剪强度贡献为主要参数。结果表明：加载速率对结构的抗剪性能有显著的影响，在一定的加载速率区间内，受损伤累积速度和应变率强化效应的影响，结构分别表现出强度弱化和强度强化的特性，抗剪承载能力出现较大的变化。在结构面附近，支护结构表现出拉剪组合破坏现象，但由于ACC结构中C形管的存在，应力集中效应降低，试验曲线波动减弱，内部钢丝受剪切作用破坏的情况与锚索相比明显减弱。同时，以试验结果为基础构建的ACC结构双剪试验数值模型的准确性较高，动荷载试验的数值模拟结果表明，ACC结构形成的锚固系统具备良好的吸能效果，冲击能量越大，吸能效果越明显；且ACC结构在高速冲击作用下，表现出明显的应变率强化效应，冲击速度越大，抗剪承载能力越高。
- 双结构面剪切试验 /
- 管索组合结构 /
- 变形破坏特性 /
- 数值模拟 /
- 冲击荷载
Abstract: The shear mechanical properties and deformation damage mechanism of the double structural planes of traditional anchor cables and new anchor cables with C-shaped tube structures (abbreviated as ACC) under different loading rate conditions were investigated through experimental and numerical simulation analyses. Dual structural face shear tests were conducted at shear displacement loading rates of 2, 10, 20, 30, and 40 mm/min under 55 MPa concrete specimen strength and 200 kN preload, with shear deformation curves, peak structural shear loads, steel wire damage patterns, and structural plane shear strength contributions as the main parameters considered. The results show that the loading rate significantly affects the shear performance of the structure. Within a certain loading rate interval, influenced by the damage accumulation rate and the strain rate strengthening effect, the structure exhibits characteristics of strength weakening and strengthening, respectively, with a large variation interval in shear load-carrying capacity. Near the structural plane, the support structure shows a combination of tensile and shear damage. However, the ACC structure, due to the presence of the C-shaped tube, exhibits lower stress concentration effects, reduced fluctuation in the test curve, and significantly weakened internal steel wire damage compared to traditional anchor cables. Meanwhile, the numerical model of the double shear test of the ACC structure, constructed based on the test results, exhibits high accuracy. Numerical simulations of dynamic loading tests demonstrate that the anchoring system formed by the ACC structure has a good energy absorption effect, which becomes more pronounced with increasing impact energy. Under high-speed impact, the ACC structure is significantly affected by the strain rate reinforcement effect, with higher shear load capacity at greater impact velocities.
- double structural surface shear test /
- anchor cable with C-shaped tube structures /
- deformation damage characteristics /
- numerical simulation /
- impact load

HTML全文

随着我国矿产资源需求的持续增长和各类岩土工程规模的扩大，矿床开采深度显著上升，导致煤矿巷道所处的地质环境变得日益复杂^[1-2]。地应力水平的增加使岩体发生大规模变形的风险显著提升。为了有效抑制地下工程中岩体大变形及岩爆等不可预见现象的发生，锚杆和锚索等支护构件，因其结构简单且支护效果显著，已广泛应用于岩土工程。已有研究多集中于支护构件的抗拉性能分析^[3-5]，然而在深部开采和高应力环境中，支护构件常同时承受拉伸和剪切作用，导致结构破坏现象频发。因此，在各类因素影响下，评估支护构件拉伸与剪切的综合性能，成为岩土工程研究中的重要课题。

Jalalifar等^[6]利用不同直径及强度的锚杆进行剪切试验，发现锚杆抗剪强度受其直径及强度等因素影响显著；Aziz等^[7]发现改变灌浆厚度能够影响预张拉锚杆的抗剪强度及剪切位移；Ferrero等^[8]对支护结构组成的锚固系统进行了理论分析与试验研究，结果表明预应力不仅能够影响锚固系统的抗剪强度，同时改变了剪切位移；Goris等^[9]的研究表明，粗糙节理面的抗剪强度高于光滑节理面，这一差异甚至可以达到两倍左右；Grasselli等^[10]对比了不同支护结构的安装角度对抗剪性能的影响，支护结构所调动的最大剪切荷载出现在安装角为30˚～60˚时；Jalalifar等^[11]的试验结果也表明，混凝土强度对锚固系统的抗剪能力、剪切位移以及支护构件的破坏机制有显著影响，强度越高，结构更容易发生剪切破坏。以上研究多聚焦于支护结构自身性质(直径、强度等)、灌浆厚度、预应力强度、岩体强度、支护结构安装角度、结构面粗糙度等因素对锚杆锚索等剪切性能的影响，却忽略了加载速率这一重要影响因素，同时，少有人研发出高抗剪性能的支护构件。

基于上述原因，单仁亮等^[12]开发了一种如图1所示的管索组合结构（anchor cable with C-shaped tube，ACC）。该结构相比于锚索结构，不仅抗剪承载能力大幅提升，轴向承载能力也有所提升^[13-14]。ACC结构能够有效应对深部岩体高水平应力环境下的围岩大变形情况^[15]，但是对其剪切力学特性的分析不够深入，加载速率对其抗剪性能的影响也尚不清楚。为此，本文中，以剪切位移加载速率为变量，探究准静态及不同中等加载速率条件下锚索和ACC结构的变形特性及差异性，通过模拟手段探究冲击动载^[16-18]对ACC结构的影响，以期为支护结构的剪切力学特性研究提供参考与借鉴。

图 1 管索组合结构示意图

Figure 1. Schematic diagram of anchor cable with C-shaped tube

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1. 双结构面剪切试验

为了探究ACC结构和锚索在不同剪切位移加载速率条件下，结构面的剪切变形过程，以及在此过程中2种结构的抗剪承载能力，分别对2种支护构件组成的锚固体（锚索直径均为17.8 mm），在预应力为200 kN条件下进行不同剪切位移加载速率的双结构面剪切试验。

1.1 试验准备

试验用混凝土试块的强度为55 MPa，混凝土试块尺寸为300 mm×300 mm×300 mm，混凝土试块中部设置直径为32 mm的穿透孔，混凝土的参数如表1所示。剪切试验采用中国矿业大学（北京）自行研制的管索（杆）拉剪试验系统。拉剪试验系统主要由如图2所示的3大模块组成，分别为拉伸试验模块、剪切试验模块及电脑控制传输模块。试验时，首先将混凝土试块及支护构件组成的锚固体结构吊装进入试验台中并进行固定，通过电脑控制系统经由拉伸试验模块对支护构件施加预应力。直径为17.8 mm的锚索极限拉伸荷载约为365.1 kN，工程应用中，锚索的预应力一般为150～250 kN，为保证锚索在施加预应力后仍处于弹性变形阶段，试验的预应力设为200 kN，约占极限拉伸荷载的54.78%^[19]。然后，利用电脑控制模块，通过控制位移加载速率的方式，控制剪切试验模块施加剪切荷载直至支护构件破断，同时进行整个剪切试验的剪切力监测。剪切试验的试验方案如表2所示。

表 1 混凝土试块参数

Table 1. Parameters of concrete specimens

密度/ (kg·m⁻³)	弹性模量/ GPa	泊松比	剪胀角/°	内聚力/ MPa	抗压强度/ MPa
2400	38.5	0.2	38	1.0	55

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图 2 试验系统图

Figure 2. Schematic diagram of test system

1. Computer-Controlled Module；2. Tensile-Testing Module；3. Shear-Testing Module；4. Tensile Load Application End；5. Anchored Termination of Support Member；6. Shear Load Application End；7. Shear Box and Concrete Specimen；8. Test Support Member；9. Bracing Beam and Fixed Column；10. Shear-Testing Support Pedestal

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表 2 加载速率剪切试验方案

Table 2. Shear testing protocol under varied loading rates

结构类型	加载速率/(mm·min⁻¹)	预应力/kN	索径/mm	长度/mm
锚索	2～40	200	17.8	1400
ACC	2～40	200	17.8	1400

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1.2 支护结构变形过程

锚索与ACC结构的剪切试验在准静态（2 mm/min）和中等剪切位移加载速率（10、20、30、40 mm/min）条件下进行。试验过程中，结构面间留有缝隙，以消除摩擦力的影响。电脑控制系统记录结构的剪切荷载和轴向荷载随剪切位移变化的曲线，如图3所示，其中，v为加载速率。5种不同加载速率下，锚索与ACC结构的荷载-位移曲线在强化阶段和损伤阶段均出现波动。强化阶段的第一次跌落，是因为混凝土试块受到内部支护构件的反力作用而发生劈裂破坏；随着剪切荷载的不断增加，受外部剪切盒的约束，劈裂破坏部分继续承受内部支护构件的反作用力，从而进一步压缩破坏和剥落，曲线出现波动。损伤阶段的曲线波动，是组成锚索的钢丝结构在剪切荷载作用下依次断裂的结果。由于ACC结构中的钢丝外部添加了C形管，C形管中坚硬平滑的内、外表面直接与锚索及岩体接触，避免了螺旋状锚索表面与混凝土试块直接接触，降低了应力集中效应，因此，相较于锚索结构，ACC结构的荷载-位移曲线在强化阶段的波动较弱。

图 3 支护结构的剪切荷载和轴向荷载随剪切位移变化曲线

Figure 3. Shear and axial load response curves of support structures versus shear displacement

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表3为2种结构在5种不同加载速率下的峰值荷载与破断位移。以准静态（加载速率为2 mm/min）为基准，对比分析支护结构的抗剪性能。在4种中等加载速率条件下，锚索的峰值剪切荷载降幅最大可达27.75%，破断位移降幅最大可达45.35%。而ACC结构的峰值剪切荷载降幅最大可达21.96%，破断位移降幅最大可达16.34%，抗剪性能显著高于锚索。由图4可知，随着加载速率的增加，以20 mm/min为分界点，锚索和ACC结构的峰值剪切荷载，呈现出先降低后升高的趋势。中等加载速率下，与锚索相比，ACC结构的抗剪承载能力较高；加载速率为20 mm/min时，ACC结构的峰值剪切荷载为锚索的1.63倍。加载速率为40 mm/min时，ACC结构的峰值剪切荷载与准静态条件下持平，而锚索结构的峰值剪切荷载则仅约为静载条件下的85.78%。ACC结构的拉剪复合承载力优于锚索。

表 3 锚索与ACC结构在5种不同加载速率条件下的峰值荷载与破断位移

Table 3. Peak load and failure displacement of anchor cables and ACC structures under five loading rate conditions

加载速率/(mm·min⁻¹)	结构类型	峰值剪切荷载/kN	峰值轴向荷载/kN	破断位移/mm
2	锚索	435.18	304.19	83.21
2	ACC	654.12	330.21	81.71
10	锚索	331.62	305.36	53.79
10	ACC	609.81	328.33	68.36
20	锚索	314.43	300.12	49.35
20	ACC	511.34	313.92	68.87
30	锚索	329.08	295.61	45.46
30	ACC	560.77	322.66	70.10
40	锚索	373.29	311.52	58.73
40	ACC	655.27	332.06	83.19

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图 4 支护构件的峰值剪切荷载

Figure 4. Peak shear capacity of support members

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1.3 钢丝断裂形态

为进一步比较2种结构在不同加载速率下的变形形态及受拉剪组合作用力的断裂形式，在每组实验结束后对试块进行破拆并剥离支护构件，观察结构主要组成部分的钢丝破坏形态，如图5所示。

图 5 不同加载速率下支护构件的破坏形态

Figure 5. Failure morphologies of support members under varied loading rates

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如图5(a)所示，加载速率为2～30 mm/min时，钢丝的剪切破断数量逐渐增加，锚索破坏受剪切荷载主导；加载速率为30～40 mm/min时，锚索的受拉破断数量开始增加。这说明，在特定的剪切位移加载速率区间，剪切破坏是锚索破断的主要破坏形式，因此，提高锚索的抗剪性能，对抑制地下工程中的岩体横向变形和提供安全的作业环境具有重要意义。

图5(b)为ACC结构内部钢丝在不同加载速率条件下的破坏形态。随着加载速率的增大，钢丝的剪切破断数量明显降低，ACC结构破坏受拉伸荷载主导。ACC结构中，C形管降低了应力集中效应，同时在一定程度上改善了被包裹的锚索的受力状态，锚索能充分发挥其高抗拉性能，ACC结构整体的抗剪强度较高。

由图6可知，影响结构破坏的主要因素为损伤累积速度和应变率强化效应。随着加载速率的升高，加载速率较低（小于20 mm/min）时，应变率强化的增益效果不足以弥补损伤累积速度对结构的负作用，损伤累积速度主导了结构破坏，结构出现强度弱化现象；而加载速率较高（20～40 mm/min）时，应变率强化的增益效果愈加明显，逐渐抵消损伤累积速度的负作用，结构整体强度提升，钢丝的脆性剪切破坏数量降低，该现象在ACC结构中尤为显著。

图 6 钢丝的剪切破断数量变化

Figure 6. Evolution of shear-induced fractures in steel wires

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1.4 支护结构抗剪性能的差异性比较与分析

为进一步探究锚索与ACC结构对结构面抗剪强度的贡献，对测量数据进行无量纲化处理。支护构件对剪切结构面抗剪强度的贡献主要由混凝土（围岩）强度、支护构件的物理力学性能、支护构件预应力、结构面摩擦角和粘聚力等因素决定。本试验中，结构面之间存在间隔，消除了结构面性质对支护构件抗剪强度的影响。在混凝土（围岩）强度、支护构件初始预应力相同的情况下，根据剪切荷载-剪切位移曲线，不同加载速率下支护构件本身性质对结构面抗剪强度的贡献，即结构面标准化抗剪强度贡献 ${T}^{\mathrm{*}}$ ^[11]可表示为：

${T^*} = \frac{{{T_V} - 2N\tan \varphi }}{{2n{F_{\max }}}}$

(1)

式中： ${T}_{V}$ 为剪切荷载， $N$ 为结构面轴向荷载， $\phi$ 为结构面摩擦角， $n$ 为结构面的支护构件数量， ${F}_{max}$ 为支护构件极限抗拉强度。

为方便对比锚索与ACC结构之间的抗剪强度，根据抗剪强度贡献值，定义抗剪强度提高比例 $P$ ：

$P = \frac{{{Q_V} - {Q_C}}}{{{Q_C}}}{{ \times }}100{\text{%}}$

(2)

式中： ${Q}_{V}$ 为ACC结构面的极限剪切荷载， ${Q}_{C}$ 为锚索结构面的极限剪切荷载。

C形管在不同加载速率下结构面处的抗剪承载能力 ${\eta }_{c}$ 可表示为：

${\eta _c} = \frac{{{Q_{V,C}} - {Q_{C,C}}}}{{{Q_{V,C}}}}{{ \times }}100{\text{%}}$

(3)

式中： ${Q}_{V,C}$ 为ACC结构极限抗剪承载力， ${Q}_{C,C}$ 为锚索极限抗剪承载力。

相较于真实C形管的抗剪承载能力，式(3)的计算结果可能偏低，在相同的预应力、围岩强度和加载速率条件下，ACC结构中锚索破断所需的轴向拉伸荷载要高于锚索，C形管承受的剪切荷载会高于ACC结构与锚索的峰值剪切荷载之差，但式(3)仍能表征不同剪切加载速率下C形管的抗剪承载作用。根据式(1)～(3)，计算锚索及ACC结构在不同加载速率下的抗剪性能相关参数，如表4所示，其中， ${T}_{max}^{*}$ 为T^*的最大值。

表 4 锚索与ACC结构的抗剪性能相关参数

Table 4. Comparative parameters of shear performance between anchor cables and acc structures

加载速率/(mm·min⁻¹)	结构类型	${T}_{max}^{*}$	$P$ /%	${\eta }_{c}$ /%
2	锚索	0.60	50.31	33.47
2	ACC	0.89	50.31	33.47
10	锚索	0.45	83.89	45.62
10	ACC	0.84	83.89	45.62
20	锚索	0.43	62.62	38.51
20	ACC	0.70	62.62	38.51
30	锚索	0.45	70.41	41.32
30	ACC	0.77	70.41	41.32
40	锚索	0.51	75.54	43.03
40	ACC	0.90	75.54	43.03

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由表4可知，对于 ${T}_{max}^{*}$ ，ACC约为锚索的1.69倍，ACC结构面的抗剪强度贡献均远大于锚索。加载速率为2 mm/min（准静态）时，ACC结构的抗剪强度提高比例为50.31%，加载速率为10 mm/min时，ACC结构的抗剪强度提高比例最大，为83.89%。相较于准静态，4种中等加载速率条件下ACC结构的抗剪强度提升比例增加明显，说明在应对大的岩体剪切变形速率时，ACC结构更能发挥作用。加载速率大于20 mm/min时，C形管的抗剪承载能力与加载速率正相关，能提供较高的抗剪承载能力。

1.5 ACC结构抗剪作用机理

锚固岩体结构面发生剪切位移时，在支护构件内产生一个如图7所示的内力 ${R}_{0}$ ，该内力由轴力 ${N}_{0}$ 和剪力 ${Q}_{0}$ 组成。图7中，O为锚固结构与结构面的交点，P_x为岩体反力，U₀为剪切位移，α为结构面与水平面的夹角。

图 7 ACC结构的抗剪作用机理示意图

Figure 7. Schematic diagram of shear resistance mechanism in Acc structure

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Pellet等^[20]认为支护构件对结构面的强化作用可分为2部分，第1部分与力的平行分量相关，可以看做附加的内聚力；第2部分与力的法向分量相关，可以看做围压的增加。应用Mohr-Coulomb准则，ACC结构面的抗剪强度τ可表示为：

$\tau = \left({{c_j}+\Delta {c_b}} \right) + ({\sigma _{no}} + \Delta {\sigma _{nb}})\tan {\varphi _j}$

(4)

式中： ${c}_{j}$ 为结构面内聚力， $\Delta {c}_{b}$ 为支护构件提供的附加内聚力， ${\sigma }_{no}$ 为初始围压应力， $\Delta {\sigma }_{nb}$ 为支护构件提供的附加围压应力， ${\phi }_{j}$ 为结构面的摩擦角。

ACC的作用机理是通过C形管，节理岩体受横向剪切作用变形后发生闭合，与内部锚索形成一个近似的“整体”结构，从而提高结构面的附加内聚力 $\Delta {c}_{b}$ ；管壁和锚索结构之间的摩阻力也会间接提高结构面的附加围压 $\Delta {\sigma }_{nb}$ ，进一步提高结构面的抗剪强度。

2. ACC结构双剪试验的数值模拟

受试验条件影响，无法在试验室进行ACC原位冲击试验，数值模拟成为了冲击荷载试验研究的必要手段。

2.1 数值模型的建立

ACC结构双剪试验的数值模型如图8所示，采用ABAQUS/Explicit软件进行模拟，左右两侧混凝土试块在y=0 mm、y=300 mm、z=0 mm和z=300 mm这4个面上设置为完全固定铰，以限制4个面的位移和变形；中间混凝土试块在y=0 mm、y=300 mm、z=0 mm和z=300 mm这4个侧面限制x和z方向的位移，在y方向上加载位移加载速率，以模拟真实加载情况。ACC结构整体为钢结构，其变形损伤准则为金属延性损伤。相关参数设置如表5～6所示，ACC模型中的锚索长度为1100 mm，C形管长度为900 mm。采用软件内置的塑性损伤准则来表征混凝土试块的破坏机理。在中部混凝土试块的上方添加一刚体压板，以监测剪切荷载。为加快计算时间，并保障计算准确性，仅对中部的混凝土试块和ACC结构进行网格加密。剪切试验的数值模型，总共有96204个计算单元。

图 8 ACC结构双剪试验数值模型

Figure 8. Numerical model of double shear test for ACC Structure

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表 5 锚索参数

Table 5. Parameters of the anchor cable

密度/ (kg·m⁻³)	弹性模量/ GPa	屈服应力/ MPa	泊松比	截面积/ mm²	直径/ mm
7800	208.4	1662	0.31	193.98	17.8

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表 6 C形管参数

Table 6. Parameters of C- shaped tube

密度/ (kg·m⁻³)	弹性模量/ GPa	屈服应力/ MPa	泊松比	外径/ mm	内径/ mm
7850	210	345	0.3	28	24

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2.2 数值模型的准确性

ACC结构在双剪试验的数值模拟过程中可分为3个阶段，分别为初始预应力施加、开始施加剪切荷载发生变形和结构破坏阶段，如图9所示。

图 9 数值模拟中ACC结构的变形过程

Figure 9. Deformation evolution of ACC structures in numerical simulation

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剪切位移加载速率为2和20 mm/min时，数值模拟和试验得到的剪切荷载-剪切位移曲线如图10所示。由图10可知，加载速率为2 mm/min时，峰值剪切荷载是试验的93.73%；加载速率为20 mm/min时，峰值剪切荷载是试验的105.56%，模拟与试验结果基本一致。由图11可知，数值模拟得到的混凝土试块的压缩损伤区域与试验结果相似，压缩损伤区域开始于两侧的孔洞边缘，逐渐向内扩展。这说明，数值模型能较好描述ACC结构在双剪试验中的变形过程。

图 10 数值模拟与试验得到的剪切荷载-剪切位移曲线

Figure 10. Comparative shear load-displacement curves from numerical simulation and experimental tests

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图 11 数值模拟与试验得到的混凝土受压损伤区域

Figure 11. Compressive damage zones in concrete: numerical simulation versus experimental validation

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3. 冲击动载作用下ACC结构的抗剪性能

验证了数值模型的准确性后，对 ACC结构进行冲击荷载抗剪性能试验模拟。分别距中部混凝土试块上表面1、2、3、4 m，一大质量的刚性球（图12）开始做自由落体运动，重力加速度设为10 m/s²。为防止混凝土试块受冲击荷载作用发生破碎，在混凝土试块外部增设刚体剪切盒。

图 12 动态冲击荷载下双剪试验的数值模型

Figure 12. Numerical model of double shear test under dynamic impact loading

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3.1 ACC结构的变形过程

冲击动载作用下，自由落体的刚性球产生的动能经由剪切盒传递到中部混凝土试块的表面，进一步将能量传递给ACC结构，使ACC结构变形并最终发生脆性剪切破坏。与准静态双剪试验相似，ACC内部锚索结构在单侧结构面处的变形形式呈现S形，其应力变化如图13所示。结构内部的动态冲击应力发生在结构面附近150mm处，在冲击荷载作用下，结构逐渐变形，应力逐渐增大且在结构面处集中，形成塑性铰。随着变形的继续增大，塑性铰点的位置移动至结构面处，锚索在塑性铰点即结构面处发生破断。

图 13 ACC结构内部锚索的应力变化

Figure 13. Stress variation in internal anchor cables of the acc structure

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3.2 ACC结构的动荷载响应

为了解ACC结构在冲击荷载作用下的吸能情况，计算不同落锤高度下的ACC结构的吸能以及峰值剪切荷载，如图14所示。可以看出，相较于准静态（加载速率为2 mm/min）工况，落锤高度为1、2、3和4 m时，ACC结构的吸能分别增长了209.44%、615.56%、793.22%和913.16%，其峰值剪切荷载分别增长了29.73%、83.64%、139.61%和171.02%。随着落锤高度的增加，冲击能量越高，ACC结构的吸能效果越好，应变强化现象愈加显著，从而提升了结构的抗剪承载能力。这再次验证了，应变率强化效应是ACC结构强度增加的主要原因。

图 14 冲击荷载作用下ACC结构的吸能与峰值剪切荷载

Figure 14. Energy absorption and peak shear load in ACC structures under impact loads

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4. 结　论

以剪切位移加载速率为变量，探究了准静态及不同中等加载速率条件下的锚索和ACC结构的变形特性及差异性，并根据试验结果，通过模拟的手段探究了冲击动载对ACC结构的影响，得到以下主要结论：

(1) 加载速率为2 ～40 mm/min时，ACC结构和锚索的峰值抗剪承载能力受损伤累积速度的负面效果和应变率强化效应的增益作用影响。加载速率小于20 mm/min时，损伤累积速度主导了结构破坏，结构出现强度弱化现象；加载速率大于20 mm/min时，应变率强化的增益效果逐渐抵消损伤累积速度的负作用，结构整体强度提升。ACC结构的整体稳定性强于锚索。

(2) 在结构面附近，支护结构表现出拉剪组合破坏现象，但由于ACC结构中C形管的存在，应力集中效应降低，试验曲线波动减弱，内部钢丝受剪切作用破坏的情况与锚索相比明显减弱。

(3) ACC结构形成的锚固系统具备良好的吸能效果，冲击能量越大，吸能效果越明显；且ACC结构在高速冲击作用下，表现出明显的应变率强化效应，冲击速度越大，抗剪承载能力越高。

图 1 管索组合结构示意图

Figure 1. Schematic diagram of anchor cable with C-shaped tube

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图 2 试验系统图

Figure 2. Schematic diagram of test system

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图 3 支护结构的剪切荷载和轴向荷载随剪切位移变化曲线

Figure 3. Shear and axial load response curves of support structures versus shear displacement

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图 4 支护构件的峰值剪切荷载

Figure 4. Peak shear capacity of support members

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图 5 不同加载速率下支护构件的破坏形态

Figure 5. Failure morphologies of support members under varied loading rates

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图 6 钢丝的剪切破断数量变化

Figure 6. Evolution of shear-induced fractures in steel wires

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图 7 ACC结构的抗剪作用机理示意图

Figure 7. Schematic diagram of shear resistance mechanism in Acc structure

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图 8 ACC结构双剪试验数值模型

Figure 8. Numerical model of double shear test for ACC Structure

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图 9 数值模拟中ACC结构的变形过程

Figure 9. Deformation evolution of ACC structures in numerical simulation

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图 10 数值模拟与试验得到的剪切荷载-剪切位移曲线

Figure 10. Comparative shear load-displacement curves from numerical simulation and experimental tests

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图 11 数值模拟与试验得到的混凝土受压损伤区域

Figure 11. Compressive damage zones in concrete: numerical simulation versus experimental validation

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图 12 动态冲击荷载下双剪试验的数值模型

Figure 12. Numerical model of double shear test under dynamic impact loading

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图 13 ACC结构内部锚索的应力变化

Figure 13. Stress variation in internal anchor cables of the acc structure

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图 14 冲击荷载作用下ACC结构的吸能与峰值剪切荷载

Figure 14. Energy absorption and peak shear load in ACC structures under impact loads

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表 1 混凝土试块参数

Table 1. Parameters of concrete specimens

密度/ (kg·m⁻³)	弹性模量/ GPa	泊松比	剪胀角/°	内聚力/ MPa	抗压强度/ MPa
2400	38.5	0.2	38	1.0	55

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表 2 加载速率剪切试验方案

Table 2. Shear testing protocol under varied loading rates

结构类型	加载速率/(mm·min⁻¹)	预应力/kN	索径/mm	长度/mm
锚索	2～40	200	17.8	1400
ACC	2～40	200	17.8	1400

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表 3 锚索与ACC结构在5种不同加载速率条件下的峰值荷载与破断位移

Table 3. Peak load and failure displacement of anchor cables and ACC structures under five loading rate conditions

加载速率/(mm·min⁻¹)	结构类型	峰值剪切荷载/kN	峰值轴向荷载/kN	破断位移/mm
2	锚索	435.18	304.19	83.21
2	ACC	654.12	330.21	81.71
10	锚索	331.62	305.36	53.79
10	ACC	609.81	328.33	68.36
20	锚索	314.43	300.12	49.35
20	ACC	511.34	313.92	68.87
30	锚索	329.08	295.61	45.46
30	ACC	560.77	322.66	70.10
40	锚索	373.29	311.52	58.73
40	ACC	655.27	332.06	83.19

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表 4 锚索与ACC结构的抗剪性能相关参数

Table 4. Comparative parameters of shear performance between anchor cables and acc structures

加载速率/(mm·min⁻¹)	结构类型	${T}_{max}^{*}$	$P$ /%	${\eta }_{c}$ /%
2	锚索	0.60	50.31	33.47
2	ACC	0.89	50.31	33.47
10	锚索	0.45	83.89	45.62
10	ACC	0.84	83.89	45.62
20	锚索	0.43	62.62	38.51
20	ACC	0.70	62.62	38.51
30	锚索	0.45	70.41	41.32
30	ACC	0.77	70.41	41.32
40	锚索	0.51	75.54	43.03
40	ACC	0.90	75.54	43.03

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表 5 锚索参数

Table 5. Parameters of the anchor cable

密度/ (kg·m⁻³)	弹性模量/ GPa	屈服应力/ MPa	泊松比	截面积/ mm²	直径/ mm
7800	208.4	1662	0.31	193.98	17.8

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表 6 C形管参数

Table 6. Parameters of C- shaped tube

密度/ (kg·m⁻³)	弹性模量/ GPa	屈服应力/ MPa	泊松比	外径/ mm	内径/ mm
7850	210	345	0.3	28	24

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