梁柱外伸端板连接螺栓受力分析_图文(精)

收稿日期:2007-09-10

基金项目:黑龙江省科学技术攻关重点项目(G B02C204

作者简介:吴兆旗(1977—

,男,博士,主要从事钢结构研究.文章编号:1671-2021(200803-0393-05

梁柱外伸端板连接螺栓受力分析

吴兆旗1,张素梅1,李宁2

(11哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090;21沈阳市开发建设管理办公室,辽宁沈阳110013

摘要:目的研究钢结构梁与柱之间外伸式端板连接中摩擦型高强螺栓的受力特性.方法采用考虑接触和螺栓预拉的非线性有限单元法对不同构造的梁柱外伸端板连接进行分析.结果

得到了连接中各螺栓所受拉力与外荷载之间的关系.受压区螺栓拉力变化不大,受拉区螺栓拉力随着弯矩增加而增大.结论在整个加载过程中梁受拉翼缘内、外侧螺栓所受拉力相差不大.因端板变形产生的撬力增大螺栓受力,对于端板外伸部分未设置加劲肋和设置三角形加劲肋的连接来说,可分别按照撬力比为013和012设计螺栓.关键词:外伸端板连接;高强螺栓;撬力;有限元分析中图分类号:TU391文献标识码:A 在钢结构工程中采用高强度螺栓的外伸式端板连接,具有避免现场焊接、安装方便、施工快捷等优点.端板连接抗弯设计时,假定各螺栓所受拉力大小与其到螺栓群形心轴的距离成正比[1],该假定适用于螺栓处于弹性状态且接触面保持紧密贴合、端板刚度为无限大时,不适用于连接的极限状态,偏于保守[2];另外,把端板设计得足够厚以满足刚度无限大的要求也是不经济的[3].近年来,国内外学者已开始对弯矩作用下端板连接中高强螺栓受力性能进行研究[4-9].文献[4-7]进行了梁柱端板连接螺栓受力特性试验研究,但由于螺栓受力复杂与测量手段的局限性,测得结果中存在无法解释的现象[6].现代有限元技术的发展,为研究螺栓受力性能提

供了一种新途径[5,8].文献[5]把端板连接等效成T 形件连接,用有限元方法研究了T 形件连接在拉力荷载作用下的螺栓受力性能;文献[8]进行了6个梁与边柱连接试件有限元分析,研究了撬力对螺栓受力的影响.但已有分析中螺栓模型过于粗糙,高估了螺栓刚度和延性,文献[10]在螺栓精确模拟的基础上,提出了改进的螺栓模型.笔者应用ANSYS 软件和

文献[10]提出的改进螺栓模型建立了梁柱外伸端

板连接三维有限单元模型,对不同构造的连接进行分析,研究了各螺栓所受拉力与外荷载之间的关系,根据分析结果提出了外伸端板连接中螺栓的简化设计方法.

1有限元模型

典型的梁与中柱外伸端板连接节点模型如图1所示.根据对称性,只取其中1/4

进行分析.假定螺栓为轴对称,螺栓杆螺纹部分用具有螺栓有效直径的圆柱体代替,其余无螺纹部分用螺栓名义直径,螺栓头和螺帽横截面近似按圆形来考虑,垫圈与螺栓杆不直接相连[10].连续体采用8节点六面体单元SOL ID45模拟.利用接触对单元(CON TA174、TAR GE170来模拟板件之间及螺栓与板件之间的相互作用,螺栓预

拉力用预拉单元PRETS179施加.端板和柱子翼缘之间存在一定的摩擦,属于库仑摩擦接触问题.在分析中螺栓头和端板及柱子翼缘表面之间的接触也认为是符合库仑摩擦接触类型.螺栓孔和螺栓杆之间无摩擦,二者之间的接触只是阻止相互入侵.螺栓预拉

2008年5月第24卷第3期沈阳建筑大学学报(自然科学版

Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13

力大小取《钢结构设计规范》(G B50017-2003规定的预拉力设计值

.

图1

有限元模型

图2材料应力-应变关系曲线

根据结构钢材料的弹塑性特点,梁柱腹板、翼

缘、加劲肋和端板材料的应力—应变关系近似简化为如图2(a 所示的折线;E 为钢材弹性模量;E st 为钢材强化阶段的模量;εy 为屈服应变;σy 和σu 分别为钢材的屈服强度和极限强度.取屈服极限应变εst =10εy ;强化极限应变εu =100εy .对于螺栓材料包括螺栓体、螺栓头、螺栓帽,其应力-应变曲线如图2(b 所示.σp 为钢材的弹性比例极限;εp 为弹性极限应变;εy 对应残余应变为

01002时的应变值.强化极限应变εu =8εy .材料均为各向同性,弹性模量取

2106×105MPa ,泊松

比取为013.计算中采用Von -Mises 屈服准则及其关联流动法则,材料强化模型采用多线性随动强化准则.

在两个对称面上(梁腹板中面和经过柱子中心与柱腹板垂直的面施加对称约束,在柱子底部施加竖向位移约束.悬臂梁端施加竖向位移荷载.为模拟实际的加载历史,全部荷载分成较小的荷载逐步施加.应用完全牛顿—拉夫逊方法求解非线性方程组,力作为控制收敛条件,二范数作为收敛标准,收敛允许误差为015%.

试件破坏主要从宏观和微观两个方面来判定.宏观上当试件的弯矩转角曲线出现下降段,即试件不能继续承载则认为连接破坏.微观上主要从应变来考察,当螺栓螺纹处全截面平均应变达到材料极限强度对应的应变,即认为螺栓断裂,试件破坏.

2算例分析

应用上述有限元模型,进行了44个连接试件有限元分析算例.所分析试件有两种构造情况:端

板外伸部分不设置加劲肋和设置三角形加劲肋,

加劲肋厚度与梁腹板相同.梁翼缘宽度为200mm ,厚度为13mm ,腹板厚度为

8mm ;柱子翼缘宽度为250mm ,柱高度为350mm.试件NS3和SS3为基本试件,其他试件都是在其基础上变化参数得到.试件变化的参数主要有端板厚度t ep 、柱翼缘厚度t fc 、螺栓直径d b 、螺栓中心到梁翼缘表面的距离e f 、螺栓中心到梁腹板表面的距离e w 、梁截面高度h b 、材料特性等.所有试件都在梁翼缘的对应位置,对称设置柱腹板横向加劲肋,肋板边缘与柱子边缘齐平.各试件具体情况见表1.表中NS 和SS 分别表示端板外伸部分设置加劲肋和不设置加劲肋的情况;f y 为端板与柱翼缘的材料屈服强度.211试件受力过程

以试件NS3为例来说明连接受力过程.分析所得试件NS3的弯矩—转角关系曲线如图3(a 所示.从图中可以看出,螺栓施加预拉力后,试件各部分均处于弹性状态,但由于接触状态改变,连接在开始就表现出非线性性能.当外荷载在连接

部位产生的弯矩为15815kN ?m 时(状态②

,端板在梁受拉翼缘外侧出现屈服,连接刚度降低;随着荷载增加,塑性区域沿着梁翼缘宽度方向扩展,

当弯矩达到20019kN ?m 时(状态③

,梁翼缘外侧端板基本形成塑性铰,梁翼缘内侧端板开始出现屈服,柱翼缘加劲肋内侧螺栓孔附近出现局部屈服;此时柱翼缘在腹板和加劲肋边缘出现屈服;随着荷载进一步增加,弯矩达到33519kN ?m 时(状态④,受拉区端板在螺栓线处形成塑性铰,端板在与螺栓对应的梁腹板边缘处的端板也有塑性铰形成的趋势.随后材料进入强化阶段,塑性区域

进一步扩展.弯矩达到36414kN ?m 时(状态⑤,螺栓断裂,连接破坏.对应不同受力状态时端板与

394沈阳建筑大学学报(自然科学版第24卷

螺栓的塑性应变云图如图3(b 所示.

表1试件尺寸及材料强度

编号

h

b /

mm t ep / mm d b / mm e f /

mm e w / mm t fc / mm 螺栓等级f y /

MPa 编号

h b /mm t ep /mm d b /mm e f /mm e w /mm t fc /mm 螺栓等级

f y /

MPa

NS/SS14001322505019818235NS/SS124001922504019818235NS/SS24001622505019 818235NS/SS134001922506019818235NS/SS34001922505019818235NS/SS14400192 2505013818235NS/SS44002422505019818235NS/SS154001922505016818235NS/SS5 4002822505019818235NS/SS16400192250502315818235NS/SS6400191650501981823 5NS/SS174001922505028818235NS/SS74001920505019818235NS/SS1840019225050 191019235NS/SS84001924505019818235NS/SS194001922505019818345NS/SS94001 927505019818235NS/SS204001922505019818420NS/SS104001922405019818235NS/S S213001922505019818235NS/SS11

400

19

22

60

50

19

818

235

NS/SS22

500

19

22

50

50

19

818

235

图3NS3的弯矩-转角关系曲线及组件塑性应变云图

212螺栓受力过程

分析所得试件NS3螺栓所受拉力和弯矩的

关系曲线如图4(a 所示.从上至下,四排螺栓分别编号为1~4.预拉力施加完毕后,各个螺栓的轴向拉力等于所施加的预拉力值(150kN .由于预拉力使周围板件相互挤紧,在加载初期外力需要克服这些挤紧力,螺栓力变化不大;当弯矩为8913kN ?m 时,受拉侧螺栓(1、2排螺栓拉力才开始增加;随着荷载增加,受拉区螺栓拉力增大.第2排螺栓所受拉力大于第1排螺栓,这是由于外侧端板屈服,刚度小于内侧端板造成的.但整个受力过程中第1、2排螺栓所受拉力差别不大,最大差值为812%,出现在弯矩等于31015kN ?m 时;破坏时第1、2排螺栓拉力差值为319%.受压侧螺栓拉力在整个加载过程中无明显变化.端板和柱子翼缘间的接触压应力分布变化见图4(b .预拉力施加完毕后,接触力主要集中在螺栓孔周围,呈对称分布,最大接触应力为

10118MPa.随着端板变形增大,螺栓孔周围的接触应力

逐步分布不均匀.拉区端板与柱翼缘的接触范围

逐步缩小,且接触部位向远离梁翼缘的方向移动.当弯矩达到33519kN ?m 时,受拉侧端板和柱翼缘仅在端板外伸部位上边缘接触.其原因是端板发生弯曲变形,端板边缘相互挤压而不是相互分离,这种因端板边缘与柱翼缘相互挤压产生的力被称为撬力,它会增加螺栓受力,降低连接承载能力.受压区接触范围逐步增大;在受压区与梁翼缘和加劲肋对应的部位,由于其刚度较大,较早出现接触应力,并且该部位接触应力高于其它部位.213螺栓受力分析

各试件在连接屈服和极限状态下受拉区梁翼缘内外侧螺栓拉力比较如图5所示,N t1、N t2分别是第1、2排螺栓所受拉力.从图中可看出各试件梁翼缘内侧(第2排螺栓所受拉力略高于外侧(第1排螺栓,但二者差值大都在10%以内.尽

管第1、2排螺栓所受拉力相差不多,但是拉力来源却大不相同.外侧螺栓的拉力一部分要承担梁翼缘传来的拉力,一部分要承担端板弯曲变形产生的撬力;内侧端板由于梁腹板加强,变形较小,螺栓主要来承担梁传来的拉力.由此看来直接将

第24卷吴兆旗等:梁柱外伸端板连接螺栓受力分析395

T 形件连接的结论用于端板连接会高估螺栓所受撬力,降低连接承载力

.

图4试件NS3的螺栓力—

弯矩关系和端板与柱翼缘接触应力变化

图5受拉区螺栓所受拉力比较

我国规范假定螺栓所受拉力大小与到中和轴

(螺栓群形心轴线的距离成正比.按此假定,梁翼缘外侧螺栓拉力应为最大,笔者

分析结果与我国规范假定存在明显差异,与欧洲规范[11]的假定比较吻合.如为设计方便,也可假定连接旋转中心处于受压梁翼缘中心,内外侧螺栓力相等.但由于外侧螺栓受到撬力的作用,受拉区螺栓拉力之和高于弯矩与梁上下翼缘中心距离之比.把撬力与螺栓承担的外拉力之比定义为撬力比β,极限状态下各试件的撬力比如图6所示.图中横坐标为试件编号,纵坐标是螺栓的撬力比.从图上可以看出,端板外伸部分不设置加劲肋的连接所受撬力大于端板设置加劲肋的情况;除试件NS9和NS11外,NS

系列试件的撬力比均小于013;除

试件SS1和SS9外,SS 系列试件的撬力比均小于

012;NS9、NS11、SS1和SS9是螺栓直径远大于端

板厚度的情况.进行端板连接设计时,如果按设计

弯矩乘以1+β的系数,即可大致考虑撬力的影

响.

图6极限状态下各试件撬力比

214螺栓设计

确定了撬力大小,即确定了螺栓实际受力大

小.螺栓承载力就可不必为螺栓松弛留有余地而降低.和其他构件一样,把螺栓全截面屈服时的荷载作为其承载能力:N b y =f y ,b A e .螺栓所能承担的抗弯承载力为

M p ,bolt =4?N b y

(1+β

?(h b -t fb .(1利用式(1对有限元分析中螺栓起控制作用

的试件进行计算,计算得到的连接承载力与有限元分析结果对比见图7.对于非加劲端板连接来

396沈阳建筑大学学报(自然科学版第24卷

说,螺栓起控制作用的试件有NS5和NS6;螺栓

起控制作用的加劲端板连接试件主要包括SS3~13、SS16~22共18个试件.从图上可以看出简化分析结果得到的连接承载力小于有限元分析结果,且二者差值大部分在10%之内,表明该简化计算方法是安全的,同时也具有相当的精确性

.

图7简化计算和有限元结果比较

3结论

(1在整个受力过程中,受压区螺栓所受拉力

变化不大;受拉区螺栓随着荷载增加,所受拉力增

大,但翼缘内外侧螺栓拉力大小相差约在10%以内.

(2端板变形产生的撬力增大螺栓受力.对于端板外伸部分未设置加劲肋和设置三角形加劲肋的连接来说,可按照撬力比分别为013和012来设计螺栓.直接将T 形件连接的结论用于端板连接会高估螺栓所受撬力.

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T ension F orce of B olts in B eam 2to 2C olum n E ndp late B olted C onnections

W U Zhaoqi 1

,ZHA N G S u mei 1

,L I N i ng

2

(1.School of Civil Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin

China ,150090;2.Shenyang Development and Construc 2tion Management

Office ,Shenyang China ,110013

Abstract :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 44specimens with different configuration.The relationships between the bolts forces and the external loads were obtained.It is found that the difference between the force in the bolts at the out and inner of beam flange is very small in the whole loading procedure.The prying force coming from the deformation of end 2plate can increase the bolt tension force.The bolts in the non 2stiffened and stiffened endplate connection can be designed when the ratio of prying force is 0.3and 0.2,respectively.

K ey w ords :extended endplate connection ;high strength bolt ;prying force ;finite element analysis

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