U型扣環(huán)連接節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理及設(shè)計(jì)方法★

俞容江,趙英杰,楊先進(jìn),陳效春,汪嘉偉,張大長

(1.杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 杭州 310009;2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

1 概述

組合路面作為一種臨時(shí)工程結(jié)構(gòu)物,通過安裝車輛將路面展開、鋪設(shè)在松軟泥濘地段,利用路面板擴(kuò)散降低車輛荷載的原理保障車輛施工期間通過松軟泥濘地區(qū),防止車輛淤陷,保障車輛通行能力[1-2]。國內(nèi)路面單元之間的連接方式主要為沿道路寬度方向剛接和沿行車方向鉸接,傳統(tǒng)鉸接方式以單銷連接為主。典型的單銷連接節(jié)點(diǎn)是單雙支耳連接,其基本形式是在連接處設(shè)置一對(duì)單、雙支耳,用一個(gè)直徑較大的單銷插入單雙耳孔中進(jìn)行連接[3-7],如圖1所示。但是,實(shí)際研究和應(yīng)用發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)單向鉸接存在變形較大、剛度不足等問題。

2 U型扣環(huán)節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造

扣環(huán)連接節(jié)點(diǎn)采用的是一種新型的鉸接方式,如圖2所示節(jié)點(diǎn)包括扣環(huán)連接器和U型螺栓兩部分,其中鋼筋連接器包括光圓鋼筋、連接板、底部加勁板、上部矩形加勁板和上部梯形加勁板,加勁板與光圓鋼筋焊接。路面板邊部孔和連接板孔通過螺栓相連,扣環(huán)連接器之間通過U型螺栓相連;扣環(huán)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造尺寸如表1所示。

表1 扣環(huán)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造尺寸

3 扣環(huán)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算方法

臨時(shí)組合路面單元板間采用U型螺栓及光圓鋼筋連接并傳遞拉力,即通過光圓鋼筋雙向受剪來傳遞單元板間的節(jié)點(diǎn)力。因此,扣環(huán)節(jié)點(diǎn)需要驗(yàn)算U型螺栓、焊縫及光圓鋼筋的連接強(qiáng)度。

3.1 基本假定

針對(duì)上述扣環(huán)連接節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn),節(jié)點(diǎn)板的傳力簡圖如圖3所示。光圓鋼筋與上下加勁板通過焊縫連接為整體,U型螺栓將拉力通過鋼筋焊縫端部傳遞至整條焊縫;光圓鋼筋兩端剛接且跨度較小,光圓鋼筋傳遞剪力。光圓鋼筋和節(jié)點(diǎn)板間的焊縫長度直接影響連接件承載力。

3.2 U型螺栓強(qiáng)度計(jì)算

U型螺栓與光圓鋼筋受力計(jì)算模型如圖4所示,F為路面單元板節(jié)點(diǎn)拉力,U型螺栓上半部包住光圓鋼筋,下半部由開孔墊板固定。

根據(jù)傳力特點(diǎn),B截面為最不利截面,即對(duì)B截面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

軸力NB產(chǎn)生的拉應(yīng)力為：

(1)

其中，AC為螺栓不利截面的截面面積。

由彎矩MB引起的拉應(yīng)力為：

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[3],考慮螺紋力矩T作用下產(chǎn)生扭切應(yīng)力τT的影響,推導(dǎo)得到：

τT≈0.5σN

(3)

根據(jù)第四強(qiáng)度理論,U型螺栓在B截面處的當(dāng)量應(yīng)力為:

(4)

所以,U型螺栓的強(qiáng)度條件為：

(5)

4 扣環(huán)節(jié)點(diǎn)受力模擬分析

由于U型螺栓與光圓鋼筋的接觸是動(dòng)態(tài)變化,實(shí)際接觸狀態(tài)需要考慮地基土、車輛荷載作用位置以及路面板變形量等因素,但為了方便模擬分析,不考慮U型螺栓和光圓鋼筋相對(duì)位移。

組合路面板間節(jié)點(diǎn)內(nèi)力設(shè)計(jì)值為20 kN的節(jié)點(diǎn)尺寸如表1所示?？郗h(huán)節(jié)點(diǎn)連接器的加勁板和連接板均為Q345鋼材,屈服強(qiáng)度為345 MPa,極限強(qiáng)度為380 MPa;光圓鋼筋型號(hào)采用HPB235,屈服強(qiáng)度為235 MPa,極限強(qiáng)度為423 MPa;模擬采用Q235普通U型螺栓;焊縫強(qiáng)度與光圓鋼筋等強(qiáng),泊松比為0.3、彈性模量為200 GPa,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均采用三折線模型。90 kN輪式荷載作用下,U型螺栓及光圓鋼筋的受力狀態(tài)如下。

4.1 扣環(huán)連接節(jié)點(diǎn)

扣環(huán)連接節(jié)點(diǎn)既要承受節(jié)點(diǎn)水平拉力,又要承受節(jié)點(diǎn)豎向力,扣環(huán)連接強(qiáng)度決定最大節(jié)點(diǎn)承載力。

現(xiàn)對(duì)扣環(huán)連接器強(qiáng)度進(jìn)行單獨(dú)建模;采用Solid185模擬Q345節(jié)點(diǎn)板、HPB235鋼筋節(jié)點(diǎn)板單元尺寸最大為10 mm,鋼筋單元長度為4 mm,分析模型如圖5(a)所示?？郗h(huán)連接器與路面板連接部位的節(jié)點(diǎn)自由度全部約束,外伸加勁板和光圓鋼筋按照懸臂梁結(jié)構(gòu)處理,并施加節(jié)點(diǎn)約束。

1)水平節(jié)點(diǎn)力作用下受力。分析得到Von-Mises應(yīng)力云分布如圖6所示,焊縫、光圓鋼筋和上加勁板交接處存在一定應(yīng)力集中;當(dāng)水平拉力達(dá)到約60 kN時(shí),光圓鋼筋和焊縫局部應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度235 MPa,承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

水平節(jié)點(diǎn)力-位移曲線如圖7所示,當(dāng)拉力達(dá)到80 kN光圓鋼筋出現(xiàn)屈服。因此,模擬分析驗(yàn)證水平節(jié)點(diǎn)力作用下扣環(huán)連接器滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2)豎向節(jié)點(diǎn)力作用下受力。分析得到Von-Mises應(yīng)力分布如圖8所示,同樣在焊縫、光圓鋼筋和上加勁板交接處存在應(yīng)力集中;當(dāng)豎向節(jié)點(diǎn)力達(dá)到約50 kN時(shí),焊縫局部應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度235 MPa,此時(shí)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

豎向節(jié)點(diǎn)力-位移曲線如圖9所示,當(dāng)荷載達(dá)到60 kN 時(shí)光圓鋼筋開始屈服,模擬分析也驗(yàn)證得出豎向節(jié)點(diǎn)力下扣環(huán)連接器可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

另外,當(dāng)同時(shí)施加分析得到的水平及豎向節(jié)點(diǎn)力時(shí),經(jīng)對(duì)比分析Von-Mises應(yīng)力可知扣環(huán)節(jié)點(diǎn)可以滿足強(qiáng)度要求。

4.2 U型螺栓

U型螺栓連接建模分析時(shí),普通U型螺栓和Q235墊板采用Solid185單元;墊板和螺母之間、螺栓、螺桿和墊板之間設(shè)置接觸單元Target170和Contact174,接觸單元的摩擦系數(shù)為0.2,U型螺栓的分析模型如圖5(b)所示。

分析得到U型螺栓的Von-Mises應(yīng)力分布如圖10所示。當(dāng)拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值5 kN時(shí),荷載作用點(diǎn)達(dá)到屈服強(qiáng)度235 MPa,其余部位應(yīng)力較低;墊板與螺桿接觸部位應(yīng)力較大,最大值僅為156 MPa,小于材料屈服強(qiáng)度。

U型螺栓的荷載-位移曲線如圖11所示,荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值5 kN時(shí),U型螺栓表現(xiàn)為非線性大變形受力,其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

基于上述理論分析及模擬,可得如下主要結(jié)論:1)當(dāng)荷載內(nèi)力小于設(shè)計(jì)承載力時(shí),節(jié)點(diǎn)位移量小于0.2 mm,節(jié)點(diǎn)剛度滿足設(shè)計(jì)要求;另外,在水平節(jié)點(diǎn)力作用下的變形小于豎向節(jié)點(diǎn)力。2)扣環(huán)節(jié)點(diǎn)受力分析表明節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與設(shè)計(jì)內(nèi)力,可以根據(jù)實(shí)際地基土及路面荷載條件調(diào)整并確定節(jié)點(diǎn)板厚度,以節(jié)約材料用量并降低路面自重。3)提出了車輪荷載下扣環(huán)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力、承載力及組合路面剛度計(jì)算方法,分析驗(yàn)證正確可行。4)U型螺栓的強(qiáng)度計(jì)算公式得到截面參數(shù)KB,與螺桿圓弧半徑、螺桿直線長度和螺桿截面有關(guān),截面參數(shù)直接影響U型螺栓螺桿圓弧部分強(qiáng)度。5)扣環(huán)連接節(jié)點(diǎn)的光圓鋼筋與U型螺栓的接觸點(diǎn)附近,以及焊縫、鋼筋和加勁板的交界處均存在應(yīng)力集中,連接設(shè)計(jì)時(shí)需考察這些部位的應(yīng)力水平,確保滿足節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要求。