一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節(jié)點力學(xué)性能研究

謝坤明

(福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司 福建福州 350012)

0 引言

鋁合金材料具有材質(zhì)輕、耐久性強、延性好和能夠回收利用等優(yōu)點，滿足綠色建筑要求[1]。由于受鋁合金材料特性所限，當(dāng)鋁合金采用焊接連接時，會大幅度削減鋁合金強度[2-4]。因此，目前鋁合金結(jié)構(gòu)中常用的還是鉚釘連接，但鉚釘連接節(jié)點存在剛度低的問題，這限制了鋁合金結(jié)構(gòu)的發(fā)展。文獻[5]通過對6061-T6鋁合金高強螺栓連接節(jié)點進行研究，驗證了高強螺栓在鋁合金節(jié)點中的適用性，并得出了鋁合金角型件強度較低，會導(dǎo)致節(jié)點整體承載力不高的結(jié)論。

研究表明，在角鋼上焊接加勁肋能夠提高節(jié)點的剛度[6]。因此，對于強度和剛度不足的角鋼高強螺栓連接節(jié)點可以通過在角鋼上焊接加勁肋來提升節(jié)點的強度和剛度，但在角鋁上焊接加勁肋，反而會致使鋁合金角型件強度進一步削弱?？紤]到鋁合金易于軋制成型的優(yōu)點，提出采用一體成型的加勁肋鋁合金角型件的高強螺栓連接節(jié)點，并對其力學(xué)性能進行研究。

為了探究加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點的受力性能，有限元數(shù)值模型中鋁合金6061-T6材性采用文獻[7]中建議的Ramberg-Osgood模型，在同文獻[5]進行比對驗證基礎(chǔ)上，建立了一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節(jié)點有限元數(shù)值模型，針對不同加勁肋厚度進行力學(xué)性能分析，以期為鋁合金結(jié)構(gòu)連接節(jié)點提供設(shè)計思路。

1 有限元建模

采用Abaqus有限元軟件對鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點進行建模，模型采用實體單元中的C3D8R單元，確保求解精度。法向接觸和切向接觸分別采用“硬接觸”和庫倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.3。網(wǎng)格劃分是模型建立的重點，由于模型涉及到螺栓、板件開孔和角型件，網(wǎng)格劃分很容易出現(xiàn)扭曲和不規(guī)則，使模型無法計算，通過對螺栓口和扭曲處網(wǎng)格進行細(xì)化，使網(wǎng)格規(guī)整化，對于角型件厚度方向至少設(shè)置3個網(wǎng)格單元點[8]。8.8級直徑12 mm的高強螺栓屈服強度和抗壓強度分別取680 MPa和840 MPa，彈性模量取20 600 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.1。6061-T6鋁合金材料的本構(gòu)采用Ramberg-Osgood模型，見式(1)。

(1)

式中，ε為應(yīng)變，σ為應(yīng)力，E為原點處彈性模量，n為應(yīng)變硬化參數(shù)，f0.2為名義屈服強度。

n值計算采用Steinhardt所提出的近似計算式，如式(2)：

n=f0.2/10

(2)

由式(1)，式(2)計算所得材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線如圖1所示。

高強螺栓預(yù)緊力的施加采用Abaqus有限元軟件提供的螺栓荷載，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[9]，8.8級M12高強螺栓預(yù)緊力取48.5 kN，預(yù)緊力按照文獻[10]提供的步驟進行施加，荷載采用位移加載方式。建模采用的截面參數(shù)見表1，有限元數(shù)值模型如圖2所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)

(a)邊界條件和荷載施加

(b)網(wǎng)格劃分圖2 有限元數(shù)值模型

2 模型驗證

為了驗證有限元數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，通過采用圖2所示有限元模型與文獻[5]中的鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點進行擬合，試驗和有限元數(shù)值模型力-位移曲線對比如圖3所示，試驗數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模型承載力對比見表2，從圖3和表2中反映的情況來看，有限元數(shù)值模型擬合的準(zhǔn)確度高，同試驗所得鋁合金高強螺栓連接節(jié)點承載力誤差僅為0.01%，因此可以在此數(shù)值模型基礎(chǔ)上，進行一體成型加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點力學(xué)性能研究。

圖3 力-位移曲線對比

表2 數(shù)據(jù)對比

3 節(jié)點受力分析

3.1 一體成型鋁合金加勁肋角型件

通過在角型件上焊接加勁肋能夠提高連接節(jié)點強度與剛度，還能減少角型件厚度，達到經(jīng)濟適用效果。鋼結(jié)構(gòu)中常規(guī)角型件焊接加勁肋辦法在鋁合金角型件上無法適用，且存在鋼材會和鋁合金材料發(fā)生反應(yīng)的問題，使得加勁肋角鋼無法在鋁合金連接節(jié)點上應(yīng)用[11]?？紤]到鋁合金有易于一體成型的優(yōu)點，設(shè)計一體成型鋁合金加勁肋角型件如圖4所示。

圖4 一體成型鋁合金加勁肋角型件

圖5 鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節(jié)點

通過一體成型的鋁合金加勁肋角型件，避免了焊接對鋁合金材料造成損傷。基于第2小節(jié)的節(jié)點有限元數(shù)值模型基礎(chǔ)上，分別建立了加勁肋厚度為3 mm、5 mm、7 mm的一體成型鋁合金加勁肋角型件，研究不同加勁肋厚度對鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點受力性能的影響。有限元數(shù)值模型如圖5所示。

3.2 承載力對比和應(yīng)力云圖分析

通過有限元數(shù)值模型計算的一體成型加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點力-位移曲線數(shù)據(jù)對比圖如圖6所示，模型所得承載力數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 節(jié)點力-位移曲線對比

表3 節(jié)點承載力

從圖6和表3中可看出，鋁合金角型件增加加勁肋后，節(jié)點承載力得到了顯著提高，厚度從0增加到5 mm時，節(jié)點承載力從33.2 kN增加到了36.5 kN，增幅高達10%。隨著加勁肋厚度的增加，節(jié)點承載力也逐漸提升，當(dāng)加勁肋厚度從0 mm增加到3 mm時，節(jié)點承載力提升了5.1%，當(dāng)加勁肋厚度從3 mm增加到5 mm時，節(jié)點承載力提升了4.6%，當(dāng)加勁肋厚度從5 mm增加到7 mm時，節(jié)點承載力提升了0.5%，相較于加勁肋厚度從3 mm增加5 mm時，提升并不明顯。由此可知，一體成型的鋁合金加勁肋角型件能夠提高節(jié)點承載力和剛度，且隨著加勁肋厚度提升，節(jié)點承載力和剛度也會相應(yīng)提升，不同厚度角型件會有最優(yōu)的加勁肋厚度，當(dāng)加勁肋厚度達到最優(yōu)時，節(jié)點承載力提升幅度最高，且最經(jīng)濟適用。以本算例為例，厚度為10 mm的鋁合金角型件，最適合的加勁肋厚度為5 mm。有限元數(shù)值模型計算所得一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節(jié)點應(yīng)力云圖如圖7所示。

(a)無加勁肋

(b)有加勁肋

文獻[5]中鋁合金角型件高強螺栓連接節(jié)點試驗可見其破壞性是由角型件長肢端折角處控制的，從應(yīng)力云圖7(a)中可看出，該處也是角鋁應(yīng)力最大處。從應(yīng)力云圖7(b)反映的情況來看，一體成型的加勁肋能夠很好地傳遞長肢端和短肢端之間的應(yīng)力，從而減小角鋁折角處應(yīng)力集中的情況，達到提升承載力的效果。

4 結(jié)論

本文通過建立有限元數(shù)值模型，在驗證有限元模型準(zhǔn)確度的前提下，提出一體成型鋁合金加勁肋角型件，并根據(jù)不同角型件厚度進行節(jié)點受力分析，得出以下結(jié)論：

(1)一體成型鋁合金加勁肋角型件能夠提高連接節(jié)點承載力，鋁合金角型件增加了5 mm加勁肋后，節(jié)點承載力從33.2 kN提升到了36.5 kN，增幅10%。

(2)隨著加勁肋厚度的提升，一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節(jié)點承載力和剛度也逐漸提高。

(3)在一定范圍內(nèi)加勁肋厚度的變化對節(jié)點影響顯著，以本文算例為例，當(dāng)加勁肋厚度達到5 mm后，加勁肋厚度的提升對節(jié)點影響不再明顯，繼續(xù)增加加勁肋厚度，只會造成材料浪費。

(4)從應(yīng)力云圖反映的情況來看，一體成型的加勁肋能夠很好地傳遞角型件長肢端和短肢端之間的應(yīng)力，減少折角處應(yīng)力集中的情況，達到提升節(jié)點承載力的效果。