作为组合式消能棚洞的重要组成部分,锚杆是组合式消能棚洞正常使用的重要保证。锚杆在动力作用下的响应情况影响着整个棚洞结构的稳定性,为满足棚洞结构在可能发生的各种动力作用下保持良好的使用性能,探索锚杆在动力作用下的响应特征至关重要,开展锚杆锚固质量动力响应特征研究具有重要的理论意义和工程应用价值。但由于棚洞结构锚固系统本身的复杂性和多样性,组合式消能棚洞结构在动力作用下锚杆的响应情况仍处于探索阶段,因此本文依托国家自然基金项目(编号:51408084),以模型试验、数值模拟和理论方法为研究手段,研究了棚洞在不同落石形状、不同落石质量、不同落石高度作用下锚杆的动力响应变化规律和破坏机制,为完善组合式棚洞锚固系统提供了一定的参考依据。主要研究成果如下:(1)模型试验结果显示,在其他因素一定时,球形落石作用下,锚杆的应变量最大,正方体次之,长方体较大,圆柱体最小;若落石下落高度和下落质量越大,锚杆产生的应变量越大,且随着高度的增加,应变增加量的增加趋势越明显;同一锚杆各点距离落石冲击位置越远,应变量越小,反之越大;由于锚杆端部存在应力波的反射,2号测点相对1号测点应变减少量大于3号测点相对2号测点应变减少量;在同一激励作用下距竖向棚洞顶板越近的锚杆的应变量越大,反之越小,建议在进行棚洞结构锚固系统设计时应使距棚洞顶板越近的锚杆截面面积越大,同时加强锚杆周围围岩的整体强度(如当围岩较破碎时灌注水泥浆体)也是有利的工程措施。(2)通过频谱分析,可知落石冲击锚固系统的激励信号由低频信号和高频信号组成,低频信号频段处于0~500Hz,高频信号频段处于4500~5000Hz;冲击信号主要由一峰值冲击信号组成,在峰值之后就下降很快,相比峰值其他值相对较小,且冲击激励越大与峰值之间的差距也越大;激励荷载越大频谱幅值和功率就越大,且落石高度越大频谱幅值和功率的变化量就越大。(3)通过冲击信号相关性分析,可知相关性函数的函数值与荷载激励的大小呈正相关关系,且当横坐标为零时,相关性函数达到最大值,当横坐标偏离零点时,相关性函数的函数值迅速减为零,可知锚杆动力响应的时间比较短,很难形成周期性的振动;利用小波分析可知,当落石冲击棚洞结构时,锚杆冲击信号的能量主要集中在低频带上,占总能量的81.89%,高频带的冲击能量仅占总冲击能量0.06%,其余频率带的能量占18.05%,建议在进行锚杆设计时主要考虑低频带的冲击作用,可忽略高频带信号的能量冲击。(4)数值模拟结果显示,由于落石碰撞棚洞顶板过程时间极短,锚杆材料内部存在阻力同时受到外部围岩的限制,测点的位移和速度随时间的推移先迅速增大后逐渐减小,最终变为零,且位移和速度增加的时间远小于减小的时间;在落石冲击过程中锚杆产生的能量主要为内能和动能,且二者在落石碰撞棚洞顶板的过程中相互转化,直至能量消失;且锚杆的动能、内能和总能量与落石高度呈正相关关系,且内能、动能以及总能量的增加量随落石高度的升高而增大;较混凝土锚固体,相同工况下,当锚固体为泥岩时,锚杆的等效应力、测点的应力与应变较小,锚杆测点的位移与速度较大。较不设置支座,设置支座时锚杆的最大等效应力、测点的位移、速度和应力均比不设置支座时小,这表明在棚洞结构上设置支座能够减小锚杆的动力响应,能够增强棚洞结构的抗冲击能力。(5)本文对锚杆破坏机制的研究是先分析锚固系统荷载传递路径,后再利用材料力学、理论力学和钢结构的基本原理,确定出锚杆的破坏形式:(1)一型剪切破坏(2)二型剪切破坏(3)受拉破坏,最终得出锚杆的破坏情况和失效荷载。