1、收稿日期:2007-09-10基金項目:黑龍江省科學技術攻關重點項目(G B02C204作者簡介:吳兆旗(1977,男,博士,主要從事鋼結構研究.文章編號:1671-2021(200803-0393-05梁柱外伸端板連接螺栓受力分析吳兆旗1,張素梅1,李寧2(11哈爾濱工業大學土木工程學院,黑龍江哈爾濱150090;21沈陽市開發建設管理辦公室,遼寧沈陽110013得到了連接中各螺栓所受拉力與外荷載之間的關系.受壓區螺栓拉力變化不大,受拉區螺栓拉力隨著彎矩增加而增大.結論在整個加載過程中梁受拉翼緣內、外側螺栓所受拉力相差不大.因端板變形產生的撬力增大螺栓受力,對于端板外伸部分未設置加勁肋和設置

2、三角形加勁肋的連接來說,可分別按照撬力比為013和012設計螺栓.關鍵詞:外伸端板連接;高強螺栓;撬力;有限元分析中圖分類號:TU391文獻標識碼:A 在鋼結構工程中采用高強度螺栓的外伸式端板連接,具有避免現場焊接、安裝方便、施工快捷等優點.端板連接抗彎設計時,假定各螺栓所受拉力大小與其到螺栓群形心軸的距離成正比1,該假定適用于螺栓處于彈性狀態且接觸面保持緊密貼合、端板剛度為無限大時,不適用于連接的極限狀態,偏于保守2;另外,把端板設計得足夠厚以滿足剛度無限大的要求也是不經濟的3.近年來,國內外學者已開始對彎矩作用下端板連接中高強螺栓受力性能進行研究4-9.文獻4-7進行了梁柱端板連接螺栓受力

3、特性試驗研究,但由于螺栓受力復雜與測量手段的局限性,測得結果中存在無法解釋的現象6.現代有限元技術的發展,為研究螺栓受力性能提供了一種新途徑5,8.文獻5把端板連接等效成T 形件連接,用有限元方法研究了T 形件連接在拉力荷載作用下的螺栓受力性能;文獻8進行了6個梁與邊柱連接試件有限元分析,研究了撬力對螺栓受力的影響.但已有分析中螺栓模型過于粗糙,高估了螺栓剛度和延性,文獻10在螺栓精確模擬的基礎上,提出了改進的螺栓模型.筆者應用ANSYS 軟件和文獻10提出的改進螺栓模型建立了梁柱外伸端板連接三維有限單元模型,對不同構造的連接進行分析,研究了各螺栓所受拉力與外荷載之間的關系,根據分析結果提出了

4、外伸端板連接中螺栓的簡化設計方法.1有限元模型2008年5月第24卷第3期沈陽建筑大學學報(自然科學版Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13力大小取鋼結構設計規范(G B50017-2003規定的預拉力設計值 .圖1 有限元模型圖2材料應力-應變關系曲線根據結構鋼材料的彈塑性特點,梁柱腹板、翼緣、加勁肋和端板材料的應力應變關系近似簡化為如圖2(a 所示的折線;E 為鋼材彈性模量;E st 為鋼材強化階段的模量;y 為屈服應變;y 和u 分別為鋼材的屈服強度和極限強度.取屈服極限應

5、變st =10y ;強化極限應變u =100y .對于螺栓材料包括螺栓體、螺栓頭、螺栓帽,其應力-應變曲線如圖2(b 所示.p 為鋼材的彈性比例極限;p 為彈性極限應變;y 對應殘余應變為01002時的應變值.強化極限應變u =8y .材料均為各向同性,彈性模量取2106×105MPa ,泊松比取為013.計算中采用Von -Mises 屈服準則及其關聯流動法則,材料強化模型采用多線性隨動強化準則.試件破壞主要從宏觀和微觀兩個方面來判定.宏觀上當試件的彎矩轉角曲線出現下降段,即試件不能繼續承載則認為連接破壞.微觀上主要從應變來考察,當螺栓螺紋處全截面平均應變達到材料極限強度對應的應變

6、,即認為螺栓斷裂,試件破壞.2算例分析應用上述有限元模型,進行了44個連接試件有限元分析算例.所分析試件有兩種構造情況:端板外伸部分不設置加勁肋和設置三角形加勁肋,以試件NS3為例來說明連接受力過程.分析所得試件NS3的彎矩轉角關系曲線如圖3(a 所示.從圖中可以看出,螺栓施加預拉力后,試件各部分均處于彈性狀態,但由于接觸狀態改變,連接在開始就表現出非線性性能.當外荷載在連接部位產生的彎矩為15815kN m 時(狀態,端板在梁受拉翼緣外側出現屈服,連接剛度降低;隨著荷載增加,塑性區域沿著梁翼緣寬度方向擴展,當彎矩達到20019kN m 時(狀態,梁翼緣外側端板基本形成塑性鉸,梁翼緣內側端板開

7、始出現屈服,柱翼緣加勁肋內側螺栓孔附近出現局部屈服;此時柱翼緣在腹板和加勁肋邊緣出現屈服;隨著荷載進一步增加,彎矩達到33519kN m 時(狀態,受拉區端板在螺栓線處形成塑性鉸,端板在與螺栓對應的梁腹板邊緣處的端板也有塑性鉸形成的趨勢.隨后材料進入強化階段,塑性區域進一步擴展.彎矩達到36414kN m 時(狀態,螺栓斷裂,連接破壞.對應不同受力狀態時端板與394沈陽建筑大學學報(自然科學版第24卷螺栓的塑性應變云圖如圖3(b 所示.表1試件尺寸及材料強度編號h b /mm t ep /mm d b /mm e f /mm e w /mm t fc /mm 螺栓等級f y /MPa 編號h

8、b /mm t ep /mm d b /mm e f /mm e w /mm t fc /mm 螺栓等級f y /4001922605019818235NS/SS225001922505019818235圖3NS3的彎矩-轉角關系曲線及組件塑性應變云圖212螺栓受力過程分析所得試件NS3螺栓所受拉力和彎矩的關系曲線如圖4(a 所示.從上至下,四排螺栓分別編號為14.預拉力施加完畢后,各個螺栓的軸向拉力等于所施加的預拉力值(150kN .由于預拉力使周圍板件相互擠緊,在加載初期外力需要克服這些擠緊力,螺栓力變化不大;當彎矩為8913kN m 時,受拉側螺栓(1、2排螺栓拉力才開始增加;隨著荷載增

9、加,受拉區螺栓拉力增大.第2排螺栓所受拉力大于第1排螺栓,這是由于外側端板屈服,剛度小于內側端板造成的.但整個受力過程中第1、2排螺栓所受拉力差別不大,最大差值為812%,出現在彎矩等于31015kN m 時;破壞時第1、2排螺栓拉力差值為319%.受壓側螺栓拉力在整個加載過程中無明顯變化.端板和柱子翼緣間的接觸壓應力分布變化見圖4(b .預拉力施加完畢后,接觸力主要集中在螺栓孔周圍,呈對稱分布,最大接觸應力為10118MPa.隨著端板變形增大,螺栓孔周圍的接觸應力逐步分布不均勻.拉區端板與柱翼緣的接觸范圍逐步縮小,且接觸部位向遠離梁翼緣的方向移動.當彎矩達到33519kN m 時,受拉側端板

10、和柱翼緣僅在端板外伸部位上邊緣接觸.其原因是端板發生彎曲變形,端板邊緣相互擠壓而不是相互分離,這種因端板邊緣與柱翼緣相互擠壓產生的力被稱為撬力,它會增加螺栓受力,降低連接承載能力.受壓區接觸范圍逐步增大;在受壓區與梁翼緣和加勁肋對應的部位,由于其剛度較大,較早出現接觸應力,并且該部位接觸應力高于其它部位.213螺栓受力分析各試件在連接屈服和極限狀態下受拉區梁翼緣內外側螺栓拉力比較如圖5所示,N t1、N t2分別是第1、2排螺栓所受拉力.從圖中可看出各試件梁翼緣內側(第2排螺栓所受拉力略高于外側(第1排螺栓,但二者差值大都在10%以內.盡管第1、2排螺栓所受拉力相差不多,但是拉力來源卻大不相同

11、.外側螺栓的拉力一部分要承擔梁翼緣傳來的拉力,一部分要承擔端板彎曲變形產生的撬力;內側端板由于梁腹板加強,變形較小,螺栓主要來承擔梁傳來的拉力.由此看來直接將第24卷吳兆旗等:梁柱外伸端板連接螺栓受力分析395T 形件連接的結論用于端板連接會高估螺栓所受撬力,降低連接承載力 .圖4試件NS3的螺栓力 彎矩關系和端板與柱翼緣接觸應力變化圖5受拉區螺栓所受拉力比較我國規范假定螺栓所受拉力大小與到中和軸(螺栓群形心軸線的距離成正比.按此假定,梁翼緣外側螺栓拉力應為最大,筆者分析結果與我國規范假定存在明顯差異,與歐洲規范11的假定比較吻合.如為設計方便,也可假定連接旋轉中心處于受壓梁翼緣中心,內外側螺

12、栓力相等.但由于外側螺栓受到撬力的作用,受拉區螺栓拉力之和高于彎矩與梁上下翼緣中心距離之比.把撬力與螺栓承擔的外拉力之比定義為撬力比,極限狀態下各試件的撬力比如圖6所示.圖中橫坐標為試件編號,縱坐標是螺栓的撬力比.從圖上可以看出,端板外伸部分不設置加勁肋的連接所受撬力大于端板設置加勁肋的情況;除試件NS9和NS11外,NS 系列試件的撬力比均小于013;除試件SS1和SS9外,SS 系列試件的撬力比均小于012;NS9、NS11、SS1和SS9是螺栓直徑遠大于端板厚度的情況.進行端板連接設計時,如果按設計彎矩乘以1+的系數,即可大致考慮撬力的影 響.圖6極限狀態下各試件撬力比214螺栓設計確定

13、了撬力大小,即確定了螺栓實際受力大M p ,bolt =4N b y(1+(h b -t fb .(1利用式(1對有限元分析中螺栓起控制作用的試件進行計算,計算得到的連接承載力與有限元分析結果對比見圖7.對于非加勁端板連接來396沈陽建筑大學學報(自然科學版第24卷 說,螺栓起控制作用的試件有NS5和NS6;螺栓起控制作用的加勁端板連接試件主要包括SS313、SS1622共18個試件.從圖上可以看出簡化分析結果得到的連接承載力小于有限元分析結果,且二者差值大部分在10%之內,表明該簡化計算方法是安全的,同時也具有相當的精確性 .圖7簡化計算和有限元結果比較3結論(1在整個受力過程中,受壓區螺栓

14、所受拉力變化不大;受拉區螺栓隨著荷載增加,所受拉力增大,但翼緣內外側螺栓拉力大小相差約在10%以內.(2端板變形產生的撬力增大螺栓受力.對于端板外伸部分未設置加勁肋和設置三角形加勁肋的連接來說,可按照撬力比分別為013和012來設計螺栓.直接將T 形件連接的結論用于端板連接會高估螺栓所受撬力.參考文獻:1中華人民共和國建設部.鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程J G J82-91S.北京:中國計劃出版社,1992.2樓國彪,李國強,雷青.鋼結構高強度螺栓端板連接研究現狀(I J .建筑鋼結構進展,2006,8(2:8-21.3陳紹蕃.鋼結構設計原理M 2版.北京:科學出版社,1998.

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16、驗研究J .東南大學學報:自然科學版,2004,34(3:375-378.7王素芳,陳以一,陳友泉,等.端板連接高強度螺栓群中和軸位置研究J .建筑科學與工程學報,2005,22(3:45-54.8郭兵.外伸式端板螺栓連接中的撬力分析J .建筑結構,2006,36(8:10-12.9王燕,侯兆新,鄭杰.高強螺栓連接考慮杠桿力作用的設計方法J .建筑鋼結構進展,2007,9(2:27-33.10吳兆旗.鋼梁柱外伸端板螺栓連接及其對框架結構的影響D .哈爾濱:哈爾濱工業大學土木工程學院,2008.11European Committee for Standardization.Design ofs

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18、 of B olts in B eam 2to 2C olum n E ndp late B olted C onnectionsW U Zhaoqi 1,ZHA N G S u mei 1,L I N i ng2(1.School of Civil Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin China ,150090;2.Shenyang Development and Construc 2tion Management Office ,Shenyang China ,110013Abstract :The high strength bolts resistance on the steel beam 2to 2column extended endplate connection is studied.Considering contact and bolt pretension ,a non 2linear finite element method was used to analyze 44spe