螺栓連接對基礎非均勻沉降格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的影響*

王 朋

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

螺栓連接對基礎非均勻沉降格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的影響*

王 朋

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

為了現(xiàn)場安裝方便，格構(gòu)式結(jié)構(gòu)設計中的螺孔直徑大于螺桿直徑，在相同載荷作用下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析計算得到的結(jié)構(gòu)變形量小于試驗測量值，另一方面，在相同沉降下，計算得到的桿件軸力大于試驗測量值，甚至出現(xiàn)計算結(jié)果顯示已經(jīng)破壞的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實中仍在正常運行著。產(chǎn)生這些偏差的主要原因是螺栓滑移?；贏NSYS開發(fā)的滑移梁模型將實驗測量得到的螺栓連接位移-載荷關(guān)系曲線引入到螺栓連接的分析模型中。利用該模型模擬了基礎非均勻沉降格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的受力變形特性，并與傳統(tǒng)分析結(jié)果及試驗測量結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示：考慮螺栓滑移影響的模型，模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果非常吻合。為今后格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的設計和研究提供有益參考。

螺栓滑移；格構(gòu)式結(jié)構(gòu)；非均勻沉降；結(jié)構(gòu)分析

引 言

精確預測格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的受力變形特性，對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的設計及安全評估起著非常重要的作用。等邊角鋼由于具有便于連接的優(yōu)點被廣泛應用于格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中。大量的等邊角鋼通過單面螺栓連接，因此載荷傳遞時等邊角鋼承受偏心載荷。同時在格構(gòu)式結(jié)構(gòu)設計中，為了現(xiàn)場安裝方便螺孔一般比螺栓直徑大，螺栓連接數(shù)量多、螺栓直徑小、連接桿件薄(角鋼或扁鋼)、夾持力低、鍍鋅金屬表面摩擦系數(shù)低等因素使螺栓連接在較低載荷作用下發(fā)生滑移現(xiàn)象。

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析[1-2]忽略了連接偏心和螺栓滑移對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的影響，使得模擬結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果存在較大偏差。實際上，格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中的螺栓連接節(jié)點既不是“鉸接”也不是“剛接”，而是介于“鉸接”和“剛接”之間的一種半剛性連接。顯然，如果將螺栓連接

節(jié)點簡單的視為“鉸接”或“剛接”，要么是結(jié)構(gòu)設計的不安全，要么就是結(jié)構(gòu)設計的不夠經(jīng)濟。

螺栓滑移問題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，并取得了一定的成效。文獻[3]通過全尺寸輸電塔試驗與模擬,研究了螺栓安裝不對稱以及不同滑移模型對輸電塔受力變形特性的影響。本文在前期研究[4-7]的基礎上,引用基于ANSYS開發(fā)的滑移梁模型，考慮了連接偏心的影響將試驗測量得到的螺栓連接的位移-載荷關(guān)系曲線引入到螺栓連接的分析模型中，利用該模型分析了基礎非均勻沉降格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的受力變形特性，為今后格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的設計和研究提供有益參考。

1 試驗測量

1.1 格構(gòu)式結(jié)構(gòu)設計

為了測量螺栓連接對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)承受非均勻沉降載荷時的受力變形特性，設計了一個由等邊角鋼通過單面螺栓連接搭建成的3 層格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。詳細尺寸如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)實景圖

圖2 分析對象尺寸圖

1.2 試驗結(jié)果與分析

受試驗環(huán)境限制，塔腿不能直接固定在地面，所以設計了一個大剛度底座，3 根塔腿固定在底座上，第4 根塔腿相對底座無水平面內(nèi)位移，但可以相對于底座沿垂直方向向上移動。

試驗中通過應變式稱重傳感器得到垂直方向施加載荷的大小，通過位移傳感器測量得到第4 根塔腿垂直方向位移。載荷一步步施加，直到格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的斜撐桿發(fā)生屈曲失效。試驗結(jié)束后，可清晰地看到螺栓連接節(jié)點發(fā)生了滑移，如圖3所示。

圖3 螺栓滑移

試驗測量第4 根塔腿垂直方向位移與施加載荷的關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中可以看出，曲線初始階段位移隨載荷線性增長，當載荷達到6 kN時，垂直方向位移增加量與載荷增加量不再成線性關(guān)系，當載荷達到8 kN時，垂直方向位移急劇增加，而載荷增加緩慢，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中的部分螺栓連接發(fā)生滑移。當位移增大到10 mm時，位移-載荷曲線又變?yōu)榻凭€性。

圖4 試驗測量位移-載荷曲線

將應變片貼在角鋼螺栓連接線上，記錄試驗時角鋼應變的變化。斜撐桿和橫隔桿通過單個螺栓與塔腿連接，且角鋼都是通過單面螺栓連接，因此角鋼承受偏心載荷，如圖5所示。角鋼承受偏心載荷時，應力σ為：

(1)

式中：y0和z0為角鋼截面的形心主慣性軸，(yOF,zOF)為施加載荷點在角鋼截面的形心主慣性軸上的坐標；iy0和iz0分別為截面對于形心主慣性軸y0軸和z0軸的慣性半徑；F為施加載荷的大??；A為角鋼截面的面積。

考慮角鋼偏心載荷的影響，塔腿施加載荷和桿件軸力的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以看出隨著塔腿施加載荷的增加，斜撐桿軸力不斷增加。當載荷加載到6 kN時，隨著塔腿載荷的增加，桿件軸力增加變小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是隨著施加載荷的增加，室內(nèi)小塔桿件螺栓發(fā)生滑移，發(fā)生滑移的斜撐桿件幾乎不再承受增加的載荷。

圖5 螺栓連接

圖6 試驗測量桿件軸力

2 有限元模擬

格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的破壞形式主要是一系列斜撐桿的屈曲，而斜撐桿的承載能力主要取決于連接節(jié)點的剛度，因此，精確模擬格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中的螺栓連接對準確模擬格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的受力變形特性至關(guān)重要。

室內(nèi)小塔3 個塔腿固定在大剛度底座上，第4 個塔腿A點與大剛度底座在水平面內(nèi)無相對位移，以模擬格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的非均勻沉降，有限元模型的邊界條件如圖7所示，本文分別建立了剛性連接模型和滑移模型模擬了格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的受力變形特性。

圖7 提取軸力的桿件單元和施加載荷點(A)

2.1 剛性連接模型

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法，將螺栓連接當作剛性連接處理，不考慮螺栓滑移對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應的影響，考慮偏心載荷影響的角鋼軸向剛度KB為：

(2)

式中：E為角鋼彈性模量；A為角鋼橫截面積；L為角鋼長度。

將剛性連接模型模擬得到的非均勻沉降格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的位移-載荷關(guān)系曲線，與試驗測量結(jié)果進行對比，如圖8所示。提取3根斜撐桿(如圖7所示)的桿件軸力，與試驗測量結(jié)果進行對比，如圖9所示。

圖8 位移-載荷曲線比較

圖9 桿件軸力對比

2.2 滑移模型

采用滑移梁模型[7]模擬螺栓連接，假定滑移只發(fā)生在梁單元軸向方向，其余方向無相對滑移。將前期試驗測量得到的螺栓滑移的位移-載荷關(guān)系曲線[6]分解到坐標系各軸上，從而將螺栓連接接頭特性引入到有限元模擬中。

滑移模型模擬得到的非均勻沉降格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的位移-載荷關(guān)系曲線，與試驗測量結(jié)果進行對比，如圖8所示。提取3根斜撐桿(如圖7所示)的桿件軸力，并與試驗測量結(jié)果進行對比，如圖9所示。

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析軟件把螺栓連接當作剛性連接處理所帶來的偏差，本文把螺栓滑移的位移-載荷關(guān)系曲線引入到有限元模擬中，對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性進行分析，并且與試驗結(jié)果進行了比較。得出以下結(jié)論:

1)不考慮螺栓滑移影響的模型在預測格構(gòu)式結(jié)構(gòu)變形特性時是不準確的，因為它遠遠低估了格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的真實變形能力。

2)螺栓滑移模型能夠反映出結(jié)構(gòu)的真實變形特性，并與試驗測量結(jié)果吻合。為今后格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的設計與評估提供有益參考。

[1] 趙滇生. 輸電塔架結(jié)構(gòu)的理論分析與受力性能研究[D]. 浙江: 浙江大學, 2003.

[2] SILVAA J G S, VELLASCOB P C G, ANDRADE S A L, et al. Structural assessment of current steel design models for transmission and telecommunication towers[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2005, 61(8): 1108-1134.

[3] JIANG W Q, WANG Z Q, MCCLURE G, et al. Accurate modeling of joint effects in lattice transmission towers[J]. Engineering Structures, 2011, 33(5): 1817-1827.

[4] 黃偉東, 陳海波, 王朋, 等. 螺栓滑移過程的數(shù)值模擬[C]// 第21屆全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議論文集: 第Ⅲ冊, 2012: 014-017.

[5] 高康, 陳海波, 王朋, 等. 螺栓滑移對非均勻沉降輸電塔承載能力的影響初探[J]. 中國科學技術(shù)大學學報, 2012, 45(12): 984-989.

[6] 王朋, 高康, 黃偉東, 等. 螺栓滑移對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性的影響研究[J]. 固體力學學報, 2013(S1): 211-215.

[7] 王朋, 陳海波. 螺栓連接對基礎非均勻沉降輸電塔的影響研究[J]. 工程力學, 2015, 32(10): 209-219.

王 朋(1985-), 男, 博士, 工程師, 主要從事雷達結(jié)構(gòu)總體設計工作。

Effect of Boltloint on the Behaviour of Lattice Structurewith Non-uniform Settlement

WANG Peng

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The bolt hole are oversized in lattice structure in order to provide an erection tolerence. The calculated deformations are smaller than the experimental ones under the same load. In some instances for structure still functioning well with large non-uniform settlement, failure is predicted by structure analysis software. The main reasons for the discrepancy between the experimental results and the analytical solutions is bolt slippage. In this paper, the slipping beam model is developed based on the ANSYS, to which the deformation-load rela-tionship of bolted joint get by experiment is applied to analyze the behaviour of the lattice structure with non-uniform settlement.The calculated results are compared with those obtained from the traditional rigid-bolt treatment and experimental measurement. Simulation and test results show that the model with bolt slippage agree well with the experimental measurement. This would provide good reference for further engineering applications.

bolt slippage; lattice structure; non-uniform settlement; structural analysis

2015-12-11

TH123

A

1008-5300(2016)03-0019-04