鋼結構T形連接高強度螺栓受力分析及數(shù)值模擬

劉秀麗　王燕　李美紅　韓明嵐

摘要：為了分析鋼結構T形連接高強度螺栓受力性能，對10個不同構造參數(shù)的T形連接件進行試驗及有限元研究，比較T形件構造參數(shù)變化對高強度螺栓力學性能的影響，并對高強度螺栓受力進行數(shù)值模擬。結果表明：螺栓直徑、翼緣板厚度及螺栓間距等構造參數(shù)變化對T形件連接高強度螺栓受力產(chǎn)生不同程度的影響，設計中可根據(jù)具體情況選擇最優(yōu)的構造形式；高強度螺栓除受到撬力的影響外，還受到彎矩的影響；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合的高強度螺栓拉力及彎矩的半經(jīng)驗計算公式計算值與試驗結果吻合良好，可供工程應用參考。

關鍵詞：鋼結構；T形連接；高強度螺栓；受力分析；數(shù)值模擬；彎矩

中圖分類號：TU392.4文獻標志碼：A

Abstract： In order to study the mechanical behavior of high strength bolts in Tstub connections of steel structure， experiment and finite element analysis of 10 specimens with difference configuration parameters were carried out， influences of configuration parameters of Tstub connections on mechanical behavior of high strength bolts were compared， and numerical simulation of force of high strength bolt was presented. The results show that the configuration parameters such as diameter of bolt， thickness of flange plate and pitch of bolts have different influences on the mechanical behavior of high strength bolts， constructional types of Tstub connections should be selected according to specific situations. Prying force and bending moment affect mechanical behavior of high strength bolts. Semiempirical fitting formulas of tensile force and bending moment of high strength bolts achieved by experimental data agree well with the test results. The research conclusions can be used as reference for the engineering application.

Key words： steel structure； Tstub connection； high strength bolt； force analysis； numerical simulation； bending moment

0引言

鋼結構梁柱端板連接節(jié)點具有安裝便捷、受力性能優(yōu)良、抗震性能好等優(yōu)點，在鋼框架結構中得到廣泛應用，通常簡化為T形連接進行設計[12]。

早期各國主要圍繞T形連接破壞形式及撬力計算等方面展開研究[313]，近期施剛等[14]、暴偉等[15]通過端板連接及鑄鋼T形連接的試驗研究分析了螺栓拉力模型，結果表明受拉螺栓還受到彎矩的影響。目前中國現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范未給出考慮彎矩影響的受拉螺栓設計公式，各國學者對T形連接受拉螺栓彎矩影響的研究還處于起步階段，缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)及理論分析資料。為深入研究T形連接高強度螺栓受力機理，本文進行了10個足尺T形連接試件試驗，研究了T形連接各構造參數(shù)變化對高強度螺栓拉力及彎矩的影響，并進行了受拉高強度螺栓在彎矩作用下的數(shù)值模擬，研究結果可為T形連接構造設計及受拉高強度螺栓精細化設計分析提供參考。

1試驗試件及裝置

螺栓桿應變隨外加荷載變化曲線如圖5所示，其中，Nt為外加荷載產(chǎn)生的單個螺栓拉力，μ為螺栓桿應變。從圖5可以看出，各試件螺栓桿應變趨勢基本一致。加載初期螺栓桿應變較小，基本等于螺栓預拉力產(chǎn)生的應變。達到轉(zhuǎn)折點后隨著外荷載增加，應變迅速增大，此時螺栓桿內(nèi)出現(xiàn)撬力，使得應變劇增。由圖5（a）可見，加載初期，高強度螺栓直徑d增大對螺栓桿應變基本無影響，當Nt大于120 kN時，2個試件曲線逐漸發(fā)生分離，螺栓直徑d越大，螺栓桿應變越小。由圖5（b）可見，T形件翼緣板厚度t增大，螺栓桿應變逐漸減小，主要是因為翼緣板厚度增大，其剛度隨之增強，彎曲變形逐漸減小，撬力作用減弱，螺栓桿應變減小。

圖11為各試件有限元及試驗螺栓拉力與外加荷載Nt曲線比較。由圖11可見，試驗和有限元曲線吻合良好，試驗和ANSYS有限元分析結果的可靠性、準確性均得到了進一步驗證。

從圖11還可以看出，各組試件有限元分析及試驗研究所得到的螺栓拉力隨外加荷載Nt變化的曲線基本吻合，曲線發(fā)展形狀和走勢有較好的一致性。加載初期，螺栓拉力基本等于預拉力，由于試驗試件存在一定應力松弛現(xiàn)象，導致試驗試件螺栓拉力略低于有限元值。外加荷載Nt達到50 kN左右時，曲線開始上揚，螺栓拉力增大，可見此時T形件翼緣開始出現(xiàn)彎曲變形。隨著Nt繼續(xù)增加，試驗和有限元曲線趨于吻合，由于試驗受外界因素及人為因素影響而存在一定誤差，加載后期試驗螺栓拉力值略大于有限元值。

當Nt相同時，隨著翼緣板厚度增加，螺栓拉力呈減小趨勢，增加翼緣板厚度可以減小其相對變形，降低螺栓拉力中撬力作用的影響；增大螺栓直徑d和螺栓間距n，螺栓拉力均呈明顯增加的趨勢，螺栓直徑增大時，螺栓預拉力及承載力相應增大，故螺栓拉力較大。當n增大時，螺栓向偏離T形件腹板的外側(cè)移動，對翼緣板的約束作用減弱，翼緣板變形增加，撬力作用增強，螺栓拉力增大。螺栓排列間距參數(shù)m，g，s改變對螺栓拉力略有影響，但不明顯，各試件曲線基本重合。

綜上可見：隨翼緣板厚度t增加，彎曲變形減小，使螺栓的受拉性能得到有效改善；增大螺栓直徑d，螺栓預拉力和承載力均增大，故螺栓拉力較大；增大螺栓間距n導致翼緣板彎曲變形增加，對螺栓受力不利，故建議在滿足施工構造的條件下，盡量選用較小的螺栓間距n；改變螺栓排列間距參數(shù)m，g，s對其受力性能影響甚微，故可按構造選取最小值。

3數(shù)值模擬

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬分析，擬合高強度螺栓拉力及彎矩的半經(jīng)驗計算公式，可為工程設計提供參考。

3.1高強度螺栓拉力數(shù)值擬合

3.2高強度螺栓桿受彎矩作用影響

T形件翼緣彎曲變形產(chǎn)生了撬力Q影響的同時，對螺栓頭產(chǎn)生不均勻的擠壓作用，螺栓桿內(nèi)外側(cè)不均勻壓力C1，C2產(chǎn)生偏心，則螺栓桿內(nèi)除了拉力Pf（包括外加荷載引起的荷載Nt和撬力Q），還受到彎矩M的影響（圖14）。

根據(jù)高強度螺栓兩側(cè)應變片數(shù)據(jù)，可計算彈性階段螺栓桿彎矩，如圖15所示。圖15中取高強度螺栓外加荷載Nt=50 kN時的彎矩。

從圖15可以看出，翼緣厚度t和螺栓直徑d對高強度螺栓彎矩影響最顯著。翼緣厚度t增加，彎矩降低，螺栓直徑d增加，彎矩增大。螺栓間距m變化對彎矩影響甚微，螺栓間距n增加，彎矩減小，螺栓間距g，s增加，彎矩均有所增加。可見螺栓排列間距變化對其彎矩有一定影響。

4結語

（1）在加載初期，T形連接螺栓拉力基本保持預拉力不變，當外荷載達到50 kN左右時，翼緣板出現(xiàn)彎曲變形，螺栓拉力由于撬力作用顯著增加。

（2）螺栓直徑d和翼緣板厚度t增加可有效減緩螺栓桿應變增大的發(fā)展，螺栓間距n，g變化對螺栓應變影響較m，s更為顯著。n宜取較小值，g宜取較大值。m，s對螺栓應變影響甚微，可按構造要求取較小值。

（3）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合了高強度螺栓拉力半經(jīng)驗公式（5），并與現(xiàn)行規(guī)范計算結果進行比較。結果表明，公式（5）計算結果與試驗結果吻合更好，能較好模擬試驗試件高強度螺栓拉力實際作用情況。

（4）根據(jù)試驗結果分析了T形連接高強度螺栓彎矩影響因素，翼緣板厚度與螺栓直徑對高強度螺栓彎矩影響最顯著，螺栓間距對高強度螺栓彎矩產(chǎn)生一定影響。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合了高強度螺栓彎矩作用半經(jīng)驗公式（10）。

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