梁柱外伸端板连接螺栓受力分析_图文_百度文库

1、收稿日期:2007-09-10基金项目:黑龙江省科学技术攻关重点项目(G B02C204作者简介:吴兆旗(1977,男,博士,主要从事钢结构研究.文章编号:1671-2021(200803-0393-05梁柱外伸端板连接螺栓受力分析吴兆旗1,张素梅1,李宁2(11哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090;21沈阳市开发建设管理办公室,辽宁沈阳110013得到了连接中各螺栓所受拉力与外荷载之间的关系.受压区螺栓拉力变化不大,受拉区螺栓拉力随着弯矩增加而增大.结论在整个加载过程中梁受拉翼缘内、外侧螺栓所受拉力相差不大.因端板变形产生的撬力增大螺栓受力,对于端板外伸部分未设置加劲肋和设置

2、三角形加劲肋的连接来说,可分别按照撬力比为013和012设计螺栓.关键词:外伸端板连接;高强螺栓;撬力;有限元分析中图分类号:TU391文献标识码:A 在钢结构工程中采用高强度螺栓的外伸式端板连接,具有避免现场焊接、安装方便、施工快捷等优点.端板连接抗弯设计时,假定各螺栓所受拉力大小与其到螺栓群形心轴的距离成正比1,该假定适用于螺栓处于弹性状态且接触面保持紧密贴合、端板刚度为无限大时,不适用于连接的极限状态,偏于保守2;另外,把端板设计得足够厚以满足刚度无限大的要求也是不经济的3.近年来,国内外学者已开始对弯矩作用下端板连接中高强螺栓受力性能进行研究4-9.文献4-7进行了梁柱端板连接螺栓受力

3、特性试验研究,但由于螺栓受力复杂与测量手段的局限性,测得结果中存在无法解释的现象6.现代有限元技术的发展,为研究螺栓受力性能提供了一种新途径5,8.文献5把端板连接等效成T 形件连接,用有限元方法研究了T 形件连接在拉力荷载作用下的螺栓受力性能;文献8进行了6个梁与边柱连接试件有限元分析,研究了撬力对螺栓受力的影响.但已有分析中螺栓模型过于粗糙,高估了螺栓刚度和延性,文献10在螺栓精确模拟的基础上,提出了改进的螺栓模型.笔者应用ANSYS 软件和文献10提出的改进螺栓模型建立了梁柱外伸端板连接三维有限单元模型,对不同构造的连接进行分析,研究了各螺栓所受拉力与外荷载之间的关系,根据分析结果提出了

4、外伸端板连接中螺栓的简化设计方法.1有限元模型2008年5月第24卷第3期沈阳建筑大学学报(自然科学版Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13力大小取钢结构设计规范(G B50017-2003规定的预拉力设计值 .图1 有限元模型图2材料应力-应变关系曲线根据结构钢材料的弹塑性特点,梁柱腹板、翼缘、加劲肋和端板材料的应力应变关系近似简化为如图2(a 所示的折线;E 为钢材弹性模量;E st 为钢材强化阶段的模量;y 为屈服应变;y 和u 分别为钢材的屈服强度和极限强度.取屈服极限应

5、变st =10y ;强化极限应变u =100y .对于螺栓材料包括螺栓体、螺栓头、螺栓帽,其应力-应变曲线如图2(b 所示.p 为钢材的弹性比例极限;p 为弹性极限应变;y 对应残余应变为01002时的应变值.强化极限应变u =8y .材料均为各向同性,弹性模量取2106×105MPa ,泊松比取为013.计算中采用Von -Mises 屈服准则及其关联流动法则,材料强化模型采用多线性随动强化准则.试件破坏主要从宏观和微观两个方面来判定.宏观上当试件的弯矩转角曲线出现下降段,即试件不能继续承载则认为连接破坏.微观上主要从应变来考察,当螺栓螺纹处全截面平均应变达到材料极限强度对应的应变

6、,即认为螺栓断裂,试件破坏.2算例分析应用上述有限元模型,进行了44个连接试件有限元分析算例.所分析试件有两种构造情况:端板外伸部分不设置加劲肋和设置三角形加劲肋,以试件NS3为例来说明连接受力过程.分析所得试件NS3的弯矩转角关系曲线如图3(a 所示.从图中可以看出,螺栓施加预拉力后,试件各部分均处于弹性状态,但由于接触状态改变,连接在开始就表现出非线性性能.当外荷载在连接部位产生的弯矩为15815kN m 时(状态,端板在梁受拉翼缘外侧出现屈服,连接刚度降低;随着荷载增加,塑性区域沿着梁翼缘宽度方向扩展,当弯矩达到20019kN m 时(状态,梁翼缘外侧端板基本形成塑性铰,梁翼缘内侧端板开

7、始出现屈服,柱翼缘加劲肋内侧螺栓孔附近出现局部屈服;此时柱翼缘在腹板和加劲肋边缘出现屈服;随着荷载进一步增加,弯矩达到33519kN m 时(状态,受拉区端板在螺栓线处形成塑性铰,端板在与螺栓对应的梁腹板边缘处的端板也有塑性铰形成的趋势.随后材料进入强化阶段,塑性区域进一步扩展.弯矩达到36414kN m 时(状态,螺栓断裂,连接破坏.对应不同受力状态时端板与394沈阳建筑大学学报(自然科学版第24卷螺栓的塑性应变云图如图3(b 所示.表1试件尺寸及材料强度编号h b /mm t ep /mm d b /mm e f /mm e w /mm t fc /mm 螺栓等级f y /MPa 编号h

8、b /mm t ep /mm d b /mm e f /mm e w /mm t fc /mm 螺栓等级f y /4001922605019818235NS/SS225001922505019818235图3NS3的弯矩-转角关系曲线及组件塑性应变云图212螺栓受力过程分析所得试件NS3螺栓所受拉力和弯矩的关系曲线如图4(a 所示.从上至下,四排螺栓分别编号为14.预拉力施加完毕后,各个螺栓的轴向拉力等于所施加的预拉力值(150kN .由于预拉力使周围板件相互挤紧,在加载初期外力需要克服这些挤紧力,螺栓力变化不大;当弯矩为8913kN m 时,受拉侧螺栓(1、2排螺栓拉力才开始增加;随着荷载增

9、加,受拉区螺栓拉力增大.第2排螺栓所受拉力大于第1排螺栓,这是由于外侧端板屈服,刚度小于内侧端板造成的.但整个受力过程中第1、2排螺栓所受拉力差别不大,最大差值为812%,出现在弯矩等于31015kN m 时;破坏时第1、2排螺栓拉力差值为319%.受压侧螺栓拉力在整个加载过程中无明显变化.端板和柱子翼缘间的接触压应力分布变化见图4(b .预拉力施加完毕后,接触力主要集中在螺栓孔周围,呈对称分布,最大接触应力为10118MPa.随着端板变形增大,螺栓孔周围的接触应力逐步分布不均匀.拉区端板与柱翼缘的接触范围逐步缩小,且接触部位向远离梁翼缘的方向移动.当弯矩达到33519kN m 时,受拉侧端板

10、和柱翼缘仅在端板外伸部位上边缘接触.其原因是端板发生弯曲变形,端板边缘相互挤压而不是相互分离,这种因端板边缘与柱翼缘相互挤压产生的力被称为撬力,它会增加螺栓受力,降低连接承载能力.受压区接触范围逐步增大;在受压区与梁翼缘和加劲肋对应的部位,由于其刚度较大,较早出现接触应力,并且该部位接触应力高于其它部位.213螺栓受力分析各试件在连接屈服和极限状态下受拉区梁翼缘内外侧螺栓拉力比较如图5所示,N t1、N t2分别是第1、2排螺栓所受拉力.从图中可看出各试件梁翼缘内侧(第2排螺栓所受拉力略高于外侧(第1排螺栓,但二者差值大都在10%以内.尽管第1、2排螺栓所受拉力相差不多,但是拉力来源却大不相同

11、.外侧螺栓的拉力一部分要承担梁翼缘传来的拉力,一部分要承担端板弯曲变形产生的撬力;内侧端板由于梁腹板加强,变形较小,螺栓主要来承担梁传来的拉力.由此看来直接将第24卷吴兆旗等:梁柱外伸端板连接螺栓受力分析395T 形件连接的结论用于端板连接会高估螺栓所受撬力,降低连接承载力 .图4试件NS3的螺栓力 弯矩关系和端板与柱翼缘接触应力变化图5受拉区螺栓所受拉力比较我国规范假定螺栓所受拉力大小与到中和轴(螺栓群形心轴线的距离成正比.按此假定,梁翼缘外侧螺栓拉力应为最大,笔者分析结果与我国规范假定存在明显差异,与欧洲规范11的假定比较吻合.如为设计方便,也可假定连接旋转中心处于受压梁翼缘中心,内外侧螺

12、栓力相等.但由于外侧螺栓受到撬力的作用,受拉区螺栓拉力之和高于弯矩与梁上下翼缘中心距离之比.把撬力与螺栓承担的外拉力之比定义为撬力比,极限状态下各试件的撬力比如图6所示.图中横坐标为试件编号,纵坐标是螺栓的撬力比.从图上可以看出,端板外伸部分不设置加劲肋的连接所受撬力大于端板设置加劲肋的情况;除试件NS9和NS11外,NS 系列试件的撬力比均小于013;除试件SS1和SS9外,SS 系列试件的撬力比均小于012;NS9、NS11、SS1和SS9是螺栓直径远大于端板厚度的情况.进行端板连接设计时,如果按设计弯矩乘以1+的系数,即可大致考虑撬力的影 响.图6极限状态下各试件撬力比214螺栓设计确定

13、了撬力大小,即确定了螺栓实际受力大M p ,bolt =4N b y(1+(h b -t fb .(1利用式(1对有限元分析中螺栓起控制作用的试件进行计算,计算得到的连接承载力与有限元分析结果对比见图7.对于非加劲端板连接来396沈阳建筑大学学报(自然科学版第24卷 说,螺栓起控制作用的试件有NS5和NS6;螺栓起控制作用的加劲端板连接试件主要包括SS313、SS1622共18个试件.从图上可以看出简化分析结果得到的连接承载力小于有限元分析结果,且二者差值大部分在10%之内,表明该简化计算方法是安全的,同时也具有相当的精确性 .图7简化计算和有限元结果比较3结论(1在整个受力过程中,受压区螺栓

14、所受拉力变化不大;受拉区螺栓随着荷载增加,所受拉力增大,但翼缘内外侧螺栓拉力大小相差约在10%以内.(2端板变形产生的撬力增大螺栓受力.对于端板外伸部分未设置加劲肋和设置三角形加劲肋的连接来说,可按照撬力比分别为013和012来设计螺栓.直接将T 形件连接的结论用于端板连接会高估螺栓所受撬力.参考文献:1中华人民共和国建设部.钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程J G J82-91S.北京:中国计划出版社,1992.2楼国彪,李国强,雷青.钢结构高强度螺栓端板连接研究现状(I J .建筑钢结构进展,2006,8(2:8-21.3陈绍蕃.钢结构设计原理M 2版.北京:科学出版社,1998.

15、4Tsai K C ,Popov E P.Cyclic behavior of end -platemoment connections J .Journal of Structural Engi 2neering ,1990,116(11:2917-2930.5Chasten C P ,Lu Lewu ,Driscoll G C.Prying andshear in endplate connection design J .Journal of Structural Engineering ,1992,118(5:1295-1311.6施刚,石永久,王元清,等.端板连接高强度螺栓受力特性试

16、验研究J .东南大学学报:自然科学版,2004,34(3:375-378.7王素芳,陈以一,陈友泉,等.端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究J .建筑科学与工程学报,2005,22(3:45-54.8郭兵.外伸式端板螺栓连接中的撬力分析J .建筑结构,2006,36(8:10-12.9王燕,侯兆新,郑杰.高强螺栓连接考虑杠杆力作用的设计方法J .建筑钢结构进展,2007,9(2:27-33.10吴兆旗.钢梁柱外伸端板螺栓连接及其对框架结构的影响D .哈尔滨:哈尔滨工业大学土木工程学院,2008.11European Committee for Standardization.Design ofs

17、teel structures.Part 1.1:G eneral rules for buildings S.Brussels :European Committee for Standardiza 2tion ,1998.12American Institute of Steel Construction.Manual ofsteel construction :Load and resistance factor design S .Chicago :American Institute of Steel Construc 2tion ,INC.,1999.T ension F orce

18、 of B olts in B eam 2to 2C olum n E ndp late B olted C onnectionsW U Zhaoqi 1,ZHA N G S u mei 1,L I N i ng2(1.School of Civil Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin China ,150090;2.Shenyang Development and Construc 2tion Management Office ,Shenyang China ,110013Abstract :The high strength bolts resistance on the steel beam 2to 2column extended endplate connection is studied.Considering contact and bolt pretension ,a non 2linear finite element method was used to analyze 44spe