螺栓超欠擰對(duì)鋼桁梁橋節(jié)點(diǎn)拼接接頭受力的影響

高強(qiáng)，黃天立，陳龍，馮錫良

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中國(guó)中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都，610031)

鋼桁梁具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、自身質(zhì)量小、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)。20世紀(jì)90年代，我國(guó)第1 次采用焊接整體節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)外拼接技術(shù)建成京九線孫口黃河大橋，隨后建成的蕪湖長(zhǎng)江大橋、四渡河大橋、東新贛江特大橋、鄭新黃河大橋等均采用了這種施工工藝。焊接整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)將節(jié)點(diǎn)板與一端的弦桿焊接成為一個(gè)整體，節(jié)點(diǎn)外拼接技術(shù)即主桁桿件與焊接整體節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)外通過(guò)高強(qiáng)螺栓連成一體。但在實(shí)際施工過(guò)程中，受扭矩扳手精準(zhǔn)度、螺栓質(zhì)量的離散型、人為操作誤差或疏忽等影響，螺栓的真實(shí)預(yù)緊力可能達(dá)不到安裝要求，這勢(shì)必對(duì)節(jié)點(diǎn)拼接接頭各板件的受力產(chǎn)生影響。施剛等[1]對(duì)高強(qiáng)螺栓連接進(jìn)行了研究。黨志杰[2-3]通過(guò)理論分析并結(jié)合試驗(yàn)研究，提出了一種計(jì)算高強(qiáng)螺栓應(yīng)力集中系數(shù)及接頭螺栓傳力比的方法，以及摩擦型高強(qiáng)螺栓接頭極限滑移荷載的判斷標(biāo)準(zhǔn)。張曄芝等[4]對(duì)摩擦型高強(qiáng)螺栓接頭的受力機(jī)理和極限狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)非線性有限元分析研究了荷載水平、螺栓排數(shù)和螺栓間距等因素對(duì)頭排螺栓傳力比的影響。陳成軍等[5]研究了預(yù)緊順序和初始預(yù)緊力對(duì)螺栓組連接過(guò)程彈性相互作用的影響規(guī)律。HUANG 等[6]對(duì)高強(qiáng)螺栓連接接頭的傳力特性進(jìn)行了有限元模擬與試驗(yàn)研究。GUO等[7]對(duì)咬合式高強(qiáng)螺栓連接的抗剪承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。張德瑩等[8]對(duì)高強(qiáng)螺栓連接的傳力性能及螺栓缺失的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。朱銘等[9]對(duì)鋼桁橋長(zhǎng)列高強(qiáng)螺栓群優(yōu)選布置問(wèn)題進(jìn)行了有限元分析。周煥廷等[10]基于ANSYS 軟件數(shù)值模擬研究了高強(qiáng)螺栓連接的極限承載能力和變形性能。徐海鷹[11]通過(guò)模型試驗(yàn)、接觸單元有限元計(jì)算和理論分析，對(duì)摩擦型多排高強(qiáng)度螺栓連接的傳力性能、接頭折減系數(shù)和極限狀態(tài)進(jìn)行了研究。沈國(guó)輝等[12]通過(guò)對(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)板抗剪連接的有限元模擬方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在板件間設(shè)置接觸約束并對(duì)螺栓桿施加預(yù)緊力作用是最合理的一種方法。KIM等[13-17]采用該方法對(duì)高強(qiáng)螺栓連接進(jìn)行了相關(guān)研究。MO?E等[18-19]制作了若干組單螺栓連接和雙螺栓連接試件，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了不同端距、邊距及螺栓間距對(duì)鋼板在栓孔處承壓性能及破壞形式的影響。結(jié)果表明，鋼板在栓孔處的承壓承載力與端距及螺栓間距呈線性關(guān)系，而與垂直于受力方向的邊距基本沒(méi)有關(guān)系。GUO 等[20]制作了20 組Q460D 高強(qiáng)鋼螺栓連接接頭，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了不同端距、邊距及螺栓間距對(duì)連接承載能力及變形的影響，發(fā)現(xiàn)螺栓橫向布置時(shí)，Q460D 高強(qiáng)鋼試件的承載力和變形隨著螺距增大而增大；而對(duì)于端距及邊距，當(dāng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值之后，繼續(xù)增大其值對(duì)連接承載力的影響很小。當(dāng)螺栓縱向排列時(shí)，試件承載力只隨著螺距增大呈現(xiàn)線性增大的趨勢(shì)。ELLIOTT 等[21]研究了鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接的性能，發(fā)現(xiàn)使用與螺栓直徑相對(duì)應(yīng)的剪切破壞面大大高估了對(duì)具有較小或無(wú)孔間隙的螺栓連接的極限承載力，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)、超大尺寸或無(wú)間隙螺栓孔的試件，使用有效剪切面是準(zhǔn)確的。目前關(guān)于高強(qiáng)螺栓連接的研究工作主要側(cè)重于其傳力特性及承載能力，而針對(duì)高強(qiáng)螺栓超欠擰對(duì)接頭板件受力影響的研究較少。為此，本文作者以浩吉鐵路(原蒙西—華中地區(qū)鐵路)跨平汝高速64 m 鋼桁梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立E4節(jié)點(diǎn)的實(shí)體有限元模型。在E4節(jié)點(diǎn)處，選取下弦頂板上的一組螺栓作為超欠擰對(duì)象，并以該組螺栓不同的施擰狀態(tài)作為研究工況，研究不同工況狀態(tài)下接頭各板件的應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出螺栓超欠擰對(duì)接頭各板件應(yīng)力狀態(tài)的影響規(guī)律。

1 工程背景

浩吉鐵路(原蒙西—華中地區(qū)鐵路)跨平汝高速大橋全長(zhǎng)210.705 m，設(shè)置5 墩2 臺(tái)，橋跨由1 片24 m 簡(jiǎn)支T 梁+1 榀64 m 鋼 桁梁+1 片32 m 簡(jiǎn) 支T梁+3片24 m簡(jiǎn)支T梁組成。線路在1號(hào)和2號(hào)墩之間跨平汝高速設(shè)計(jì)為1 榀64 m 鋼桁梁。鋼桁梁為單線整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁架下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁，計(jì)算跨度為64 m，梁全長(zhǎng)為66 m，其中兩端支座中心線梁端距離1 m，節(jié)間長(zhǎng)度為12.8 m，桁高12.8 m，主桁中心距為8.5 m。主桁桿件與整體節(jié)點(diǎn)通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接而成，板件材料均采用Q370qD 鋼材，高強(qiáng)螺栓采用10.9S M24 規(guī)格，材質(zhì)為35VB，螺母及墊片均采用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，螺栓孔直徑為26 mm。鋼桁梁結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of steel truss girder bridge

2 有限元建模計(jì)算

分別采用有限元軟件MIDAS/CIVIL和ANSYS建立跨平汝高速大橋全橋有限元模型和E4節(jié)點(diǎn)的實(shí)體有限元模型，全橋有限元模型的計(jì)算結(jié)果為E4節(jié)點(diǎn)模型提供受力邊界條件。

2.1 全橋有限元建模計(jì)算

跨平汝高速大橋鋼桁梁采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后整體拖拉施工。采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL建立全橋模型，如圖2所示，鋼桁梁桿件均采用梁?jiǎn)卧M。通過(guò)全橋有限元計(jì)算分析得出E4節(jié)點(diǎn)受力最不利施工狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的全橋臨時(shí)支撐情況如圖3所示。

圖2 全橋有限元模型Fig.2 Finite element model of bridge

2.2 E4節(jié)點(diǎn)有限元建模計(jì)算

圖4所示為E4節(jié)點(diǎn)的受力示意圖。在節(jié)點(diǎn)E2E4端施加固定束，通過(guò)全橋有限元計(jì)算分析，得到E4節(jié)點(diǎn)在最不利狀態(tài)下的受力邊界條件，如表1所示(支反力為1 821.00 kN)。

圖3 E4節(jié)點(diǎn)受力最不利狀態(tài)下全橋臨時(shí)支撐示意圖Fig.3 Diagram of temporary support for bridge under the most unfavorable condition ofE4 joint

圖4 E4節(jié)點(diǎn)受力示意圖Fig.4 Sketch of mechanical state ofE4 joint

表1 E4節(jié)點(diǎn)邊界條件Table 1 Boundary conditions ofE4 joint

圖5所示為采用ANSYS 有限元軟件建立的E4節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元模型，模型中各構(gòu)件采用solid186六面體實(shí)體單元并輔以solid187 四面體實(shí)體單元，構(gòu)件間接觸采用conta174和targe170單元模擬，采用螺栓預(yù)緊功能對(duì)螺栓施加預(yù)緊力[12]。圖6所示為E4節(jié)點(diǎn)模型的拼接接頭子模型，由拼接板、下弦頂板及螺栓群組成。本文主要以該子模型為研究對(duì)象，選取螺栓L1和L2為超欠擰對(duì)象，并以該組螺栓不同的施擰狀態(tài)作為研究工況，見(jiàn)表2。然后，對(duì)拼接板及下弦頂板在不同工況狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖5 E4節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.5 Finite element model ofE4 joint

表2 螺栓超欠擰工況Table 2 Over-under-tightening conditions of bolts

為了更直觀地分析不同超欠擰工況狀態(tài)下拼接板及下弦頂板的應(yīng)力分布情況，在計(jì)算模型上定義10 條應(yīng)力分析路徑K1～K10，應(yīng)力路徑布置如圖7和圖8所示。

圖6 拼接接頭子模型Fig.6 Submodel of connection

圖7 拼接板應(yīng)力路徑布置Fig.7 Layout of stress paths of lap plate

圖8 下弦頂板應(yīng)力路徑布置Fig.8 Layout of stress paths of bottom chord roof

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 拼接板應(yīng)力分析

圖9所示為拼接板Von-Mises 等效應(yīng)力云圖，其中，圖9(a)至9(f)所示分別為拼接板在螺栓L1和L2 漏擰、欠擰50%、欠擰25%、正常預(yù)緊、超擰10%以及超擰20%工況狀態(tài)下的Von-Mises等效應(yīng)力云圖。由圖9可知：

1) 拼接板等效應(yīng)力沿板軸向呈波浪形分布，在螺栓中心連線上應(yīng)力較大，在螺栓行間應(yīng)力較小。

2)隨著螺栓L1和L2的預(yù)緊力增大，拼接板在L1 和L2 附近區(qū)域的應(yīng)力增大很明顯，而距離L1和L2較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力沒(méi)有明顯變化。

在不同工況狀態(tài)下，拼接板在K1 和K2 路徑上的Von-Mises等效應(yīng)力分別如圖10和圖11所示，其中，K1路徑的環(huán)形半徑為18 mm，K2路徑的環(huán)形半徑為40 mm，0刻度均對(duì)應(yīng)路徑起點(diǎn)。由圖10和圖11可知：

1) 隨著螺栓L1 和L2 預(yù)緊力增大，拼接板在K1 和K2 路徑上的應(yīng)力均明顯增大，這表明在L1和L2 附近區(qū)域，其應(yīng)力隨L1 和L2 預(yù)緊力增大而增大。

2) 對(duì)比K1 和K2 路徑上的應(yīng)力在不同工況狀態(tài)下的變化情況，對(duì)于K1路徑，從漏擰工況到超擰20%工況的應(yīng)力在54.7～171.2 MPa 之間變化，而K2路徑對(duì)應(yīng)的應(yīng)力在21.6～52.6 MPa之間變化。由此可知，在L1 和L2 附近區(qū)域，離L1 和L2 越近，應(yīng)力受L1和L2施擰狀態(tài)的影響越大。

圖12所示為不同工況狀態(tài)下拼接板在K3路徑上的Von-Mises 等效應(yīng)力對(duì)比結(jié)果，K3 路徑的長(zhǎng)度為820 mm，0刻度對(duì)應(yīng)路徑起點(diǎn)。

由圖12可知：隨著螺栓L1 和L2 的預(yù)緊力增大，拼接板在K3 路徑上的應(yīng)力只在L1 和L2 附近區(qū)域有明顯增大，且離L1和L2越近的點(diǎn)，其應(yīng)力受L1 和L2 施擰狀態(tài)的影響越大，離L1 和L2 越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其應(yīng)力受L1和L2施擰狀態(tài)的影響越小。從圖12還可看出：拼接板應(yīng)力受L1 和L2 施擰狀態(tài)影響的范圍為以L1(L2)為中心1.4 倍螺栓中心距之內(nèi)。

3.2 下弦頂板應(yīng)力分析

圖13所示為下弦頂板Von-Mises 等效應(yīng)力云圖，其中，圖13(a)至圖13(f)所示分別為下弦頂板在螺栓L1和L2漏擰、欠擰50%、欠擰25%、正常預(yù)緊、超擰10%以及超擰20%工況狀態(tài)下的Von-Mises等效應(yīng)力云圖。由圖13可知：

1)下弦頂板等效應(yīng)力沿板軸向呈波浪形分布，在螺栓中心連線上應(yīng)力較大，在螺栓行間應(yīng)力較小。

2)隨著螺栓L1和L2的預(yù)緊力增大，下弦頂板在L1 和L2 附近區(qū)域的應(yīng)力增大很明顯，而離L1和L2較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力沒(méi)有明顯變化。

圖9 各工況狀態(tài)下拼接板等效應(yīng)力云圖Fig.9 Nephograms of equivalent stresses of lap plate under different conditions

圖10 各工況狀態(tài)下K1路徑等效應(yīng)力對(duì)比Fig.10 Comparison of equivalent stresses of K1 path under different conditions

圖11 各工況狀態(tài)下K2路徑等效應(yīng)力對(duì)比Fig.11 Comparison of equivalent stresses of K2 path under different conditions

圖12 各工況狀態(tài)下K3路徑等效應(yīng)力對(duì)比Fig.12 Comparison of equivalent stresses of K3 path under different conditions

圖13 各工況狀態(tài)下下弦頂板等效應(yīng)力云圖Fig.13 Nephograms of equivalent stresses of bottom chord roof under different conditions

圖14所示為不同工況狀態(tài)下下弦頂板在K4至K6路徑上的Von-Mises等效應(yīng)力對(duì)比圖。K4，K5和K6 路徑的長(zhǎng)度皆為600 mm，K4，K5 和K6 路徑距下弦頂板端部的距離分別為55，80 和160 mm，0刻度均對(duì)應(yīng)路徑起點(diǎn)。

由圖14(a)可知：隨著螺栓L1 和L2 的預(yù)緊力增大，下弦頂板在K4路徑上的應(yīng)力只在螺栓L1和L2附近區(qū)域有明顯增大，且離L1和L2越近的點(diǎn)，其應(yīng)力受螺栓L1和L2施擰狀態(tài)的影響越大，離螺栓L1 和L2 越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其應(yīng)力受螺栓L1 和L2 施擰狀態(tài)的影響越小。從圖14(a)可以看出：下弦頂板應(yīng)力受螺栓L1 和L2 施擰狀態(tài)影響的范圍為以L1(L2)為中心0.8倍螺栓中心距之內(nèi)。

圖14 各工況狀態(tài)下下弦頂板等效應(yīng)力對(duì)比Fig.14 Comparison of equivalent stresses of bottom chord roof under different conditions

由圖14(b)可知：隨著螺栓L1 和L2 的預(yù)緊力增大，下弦頂板在K5路徑上的應(yīng)力只在螺栓L1和L2 附近的區(qū)域有明顯增大，且離螺栓L1 和L2 越近的點(diǎn)，其應(yīng)力受L1 和L2 施擰狀態(tài)的影響越大，離L1 和L2 越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其應(yīng)力受螺栓L1 和L2 施擰狀態(tài)的影響越小。從圖14(b)可以看出：下弦頂板應(yīng)力受螺栓L1 和L2 施擰狀態(tài)影響的范圍為以L1(L2)為中心0.8倍螺栓中心距之內(nèi)。

對(duì)比圖14(a)與圖14(b)可知：對(duì)于K4 路徑，從漏擰工況到超擰20%工況，其應(yīng)力變化最大值為98.5 MPa，而K5 路徑對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化最大值為27.9 MPa。這是由于K5路徑相對(duì)K4路徑而言距離螺栓L1 和L2 更遠(yuǎn)，因此，K5 路徑上的應(yīng)力相對(duì)K4路徑而言受L1和L2施擰狀態(tài)的影響更小。

由圖14(c)可以看出：在螺栓L1 和L2 不同的施擰狀態(tài)下，下弦頂板在K6路徑上的應(yīng)力幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。這主要是因?yàn)镵6 路徑相對(duì)K4 和K5路徑而言距離螺栓L1和L2太遠(yuǎn)，其路徑上的點(diǎn)超出了受L1和L2施擰狀態(tài)影響的范圍。

3.3 接觸面摩擦應(yīng)力分析

圖15(a)～(f)所示分別為接觸面在螺栓L1和L2漏擰、欠擰50%、欠擰25%、正常預(yù)緊、超擰10%以及超擰20%工況狀態(tài)下的摩擦應(yīng)力云圖。由圖15可知：

1)拼接板與下弦頂板接觸面摩擦應(yīng)力沿螺栓孔向周圍環(huán)狀遞減。

2) 隨著螺栓L1 和L2 的預(yù)緊力增大，螺栓L1和L2 周圍的摩擦應(yīng)力增大很明顯，而其他螺栓周圍的摩擦應(yīng)力沒(méi)有明顯變化。

圖16(a)～(d)所示分別為不同工況狀態(tài)下接觸面在K7，K8，K9和K10路徑上的摩擦應(yīng)力對(duì)比結(jié)果。K7～K10路徑的環(huán)形半徑均為15 mm，0刻度均對(duì)應(yīng)路徑起點(diǎn)。其中，K7 對(duì)應(yīng)螺栓L2，K8～K10分別對(duì)應(yīng)L2右側(cè)的不同螺栓，如圖8所示。

由圖16(a)可以看出：隨著螺栓L1 和L2 的預(yù)緊力降低，拼接板與下弦頂板接觸面在K7路徑上的摩擦應(yīng)力也隨之減小。由圖16(b)和圖16(c)可以看出：隨著螺栓L1和L2的預(yù)緊力降低，拼接板與下弦頂板接觸面在K8 和K9 路徑上的摩擦應(yīng)力整體上有不同程度增大。而對(duì)比圖16(b)和圖16(c)可知：K9路徑上的摩擦應(yīng)力增大的幅度要比K8路徑的小，這是由于K9 對(duì)應(yīng)的螺栓比K8 對(duì)應(yīng)的螺栓離L1 和L2 更遠(yuǎn)。從圖16(d)可以看出：隨著螺栓L1和L2的預(yù)緊力降低，拼接板與下弦頂板接觸面在K10 路徑上的摩擦應(yīng)力基本沒(méi)受影響，這是由于K10對(duì)應(yīng)的螺栓離L1和L2太遠(yuǎn)。

分析圖16可知：從超擰20%工況到漏擰工況，隨著螺栓L1 和L2 的預(yù)緊力降低，由螺栓L1 和L2所產(chǎn)生的接觸面摩擦應(yīng)力也隨之降低，從而導(dǎo)致螺栓L1 和L2 的傳力減小，而在螺栓L1 和L2 周圍的其他螺栓的傳力將不同程度地增大，且距離螺栓L1和L2越近的螺栓，其傳力增大幅度越大，距離螺栓L1 和L2 越遠(yuǎn)的螺栓，其傳力增大幅度越小。這說(shuō)明螺栓超欠擰會(huì)對(duì)板件間的摩擦傳力產(chǎn)生影響。

圖15 各工況狀態(tài)下接觸面摩擦應(yīng)力云圖Fig.15 Nephogram of friction stresses of the contact surface under different conditions

圖16 各工況狀態(tài)下接觸面摩擦應(yīng)力對(duì)比Fig.16 Comparison of friction stresses of the contact surface under different conditions

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在拼接板K3 路徑上布置10 個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具體布置如圖17所示。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均使用三軸45°應(yīng)變花測(cè)量，采用DH3816N 靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集測(cè)點(diǎn)應(yīng)力。

圖18所示為各工況狀態(tài)下K3路徑應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值[22]對(duì)比結(jié)果。從圖18可以看出：應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值基本相同，應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致。由此可知，本文的有限元計(jì)算分析結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)果是相符的。

圖17 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.17 Layout of test point of stresses

圖18 各工況狀態(tài)下K3路徑應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.18 Comparison of the calculated stress and tested stress of K3 path under different conditions

5 結(jié)論

1)當(dāng)某一螺栓發(fā)生超欠擰時(shí)，只會(huì)對(duì)該螺栓附近一定區(qū)域的板件應(yīng)力產(chǎn)生影響，并且離該螺栓越近影響越大，離得越遠(yuǎn)影響越小。

2)螺栓超欠擰對(duì)拼接板應(yīng)力的影響范圍為以超欠擰螺栓為中心1.4倍螺栓中心距之內(nèi)，對(duì)下弦頂板應(yīng)力的影響范圍為以超欠擰螺栓為中心0.8倍螺栓中心距之內(nèi)。

3)螺栓超欠擰會(huì)對(duì)板件間的摩擦傳力產(chǎn)生影響。當(dāng)某一螺栓發(fā)生超欠擰時(shí)，隨著該螺栓預(yù)緊力降低，由該螺栓所產(chǎn)生的接觸面摩擦應(yīng)力也隨之降低，從而導(dǎo)致該螺栓的傳力減小。而在該螺栓周圍其他螺栓的傳力將不同程度地增大，并且距離該螺栓越近的螺栓，其傳力增大幅度越大，距離該螺栓越遠(yuǎn)的螺栓，其傳力增大幅度越小。