混凝土泵车连接螺栓的匹配关系分析

混凝土泵车连接螺栓的匹配关系分析

目前，混凝土混合泵车的基本连接形式为：一是通过螺钉连接地板和设备。另一种是通过焊接板和副板之间的焊接连接。因高强度螺栓连接具有连接刚度大、受力性能好、疲劳寿命长及抗振性能优等特点,近年来被越来越多的应用于钢结构的连接中。在混凝土泵车底盘与上装的连接中,螺栓连接的可靠性、联板性能的稳定性及焊缝质量的可靠性至关重要,一旦连接失效,后果不堪设想。但在实际工程设计中,设计人员很少考虑螺栓与联板的匹配关系,联板数量的准确性,整体连接合理性及可靠性。本文针对螺栓与联板的匹配及联板焊缝强度计算方法进行了探讨,并就某款混凝土泵车的螺栓、联板及其焊缝进行了匹配计算,具有工程实践意义。1高强螺栓抗剪性能对于高强度螺栓连接,按承载力的极限状态不同,可分为摩擦型连接和承压型连接两种方式。摩擦型连接以板与板之间通过螺栓拧紧后所能提供的最大摩擦力作为其极限状态。即剪力不超过板间的最大摩擦力,板与板不发生相对滑移。承压型连接中允许剪力超过板间最大摩擦力,这时板与板之间发生相对滑移变形,直到螺栓杆与孔壁接触,此后的传力方式为螺栓剪切与摩擦面共同传力,最后是以螺杆剪切或孔壁承压破坏。高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接属于相同连接的两个不同阶段,对于同一高强度螺栓连接形式而言,承压型连接是摩擦型连接的下一阶段,其抗剪能力要强于摩擦型连接。单高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值为:单高强度螺栓承压型连接的螺栓抗剪切力设计值为:对高强度螺栓承压型连接,其承载力应取螺栓受剪和联板承压承载力设计值中的较小值。其抗剪承载力设计值的计算方法与普通螺栓相同,当剪切面在螺纹处时,应按螺纹处有效面积计算,所以,单螺栓对应联板的承压承载力设计值为:式(1)(2)(3)中:Nvb为高强度螺栓的抗剪承载力设计值;nf为传力摩擦面数目;μ为抗滑移系数;p为高强度螺栓的预紧力;为高强度螺栓的抗剪承载力设计值;nv受剪面数;de为螺栓在螺纹处有效直径;fvb为高强度螺栓抗剪强度设计值;Ncb为一个高强度螺栓对应联板的承压承载力设计值;d为螺栓直径;min(∑t)为在不同受力方向中,一个受力方向承压构件总厚度的较小值;fcb为联板的承压强度设计值。2计算开口强度的方法2.1焊缝强度的计算当轴心力F垂直于搭接接头贴角焊缝并通过焊缝的截面形心时,如图1所示。焊缝截面内的应力是均匀分布的,其强度按下列式(4)进行计算。式(4)中,F为作用于连接的轴心力;a为贴角焊缝的计算厚度;∑L为贴角焊缝计算长度之和;[τh]为焊缝的许用剪切应力。2.2算过程基本假设当承受如图2所示的弯矩作用时,首先应把每条贴角焊缝的计算厚度截面分别搭接平面视图,根据焊缝计算厚度截面展开视图的尺寸情况,本文这种接头的强度按焊缝计算截面的极惯性矩计算。计算过程基于以下基本假设:(1)被连接件是绝对刚性的,而焊缝是弹性的;(2)在弯矩M的作用下,被连接件之间绕焊缝计算截面的形心O作相对回转。根据假设,焊缝上任意一点的位移方向应垂直于该点和O点的连线,位移值与其距离成正比,即该点的计算剪应力τi和ri成正比。如果设距离O点单位长度处的计算剪应力为,则任意一点的应力值为:根据平衡条件得:所以,强度可由如下公式计算:式(7)中,为焊缝计算截面上离O点最远的点至O点的距离。式(8)中,Ix为焊缝计算截面对x轴的轴惯性矩;Iy为焊缝计算截面对y轴的轴惯性矩。2.3横向剪切力t由图3所式为一个承受偏心力S、轴心力F的搭接接头,偏心力S除产生偏心力矩M外,还产生一个作用在焊缝心处的横向剪切力T。通过图形可知,弯矩M和剪切力T为:M=SL(L为S对焊缝形心的偏心距),T=S。则焊缝计算截面上剪切力T和轴心力和F引起的水平剪切τTx和垂直剪切应力τFy分别为:由力矩M引起的水平剪应力τMx和垂直剪应力τMy为:合成剪应力应满足:3连接控制联板安装为了便于计算分析,本文针对混凝土泵车连接作如下假设、约定:(1)底盘大梁与联板采取相同规格的螺栓连接;(2)外力通过螺栓组中心使螺栓连接处受剪,即螺栓组受轴心力;(3)各联板与副车架间焊缝均匀一致,焊接质量、性能满足相关要求;(4)选取同一形式的联板;(5)约定急停工况为连接极限工况,行驶最高车速为85km/h,制动距离为40m;(6)急停工况下上装惯性力均匀分配给各连接。3.1螺栓组安装的确定因为混凝土泵车本身重量较大,且在作业或行驶状态下有突变载荷,所以在混凝土泵车上装与底盘连接选择承压型连接较为合理。为避免联板承压对承压型连接的承载力起控制作用,需满足:联板与底盘螺栓连接采用单剪形式,由式(13)可得联板厚度与螺栓直径的关系为:式(12)~(14)中min(∑t)为联板最小厚度值,d为螺栓直径。由于底盘大梁工艺孔限制,联板与底盘连接普遍采用M14高强螺栓,螺栓强度等级为10.9级(fvb=310MPa),联板材料为Q345钢(fcb==590MPa)。由式(14)可知单剪形式联板厚度(最小值)与螺栓组螺栓数目间的关系如图4所示,联板最小设计厚度t与其螺栓组螺栓数目n成线性关系。螺栓组应根据构件的截面大小和受力特点进行布置,在满足连接构造要求和便于施工的条件下,应尽量使接头的构造简单,紧凑可靠。螺栓布置一般采用并列方式,并列布置简单,钻孔方便。如图5所示为螺栓并列的最小距离示意图。针对混凝土泵车连接实际情况,综合考虑可靠性、尺寸协调及受力均匀程度等因素,对螺栓组与联板形式(图6)关键参数确定如下:单排螺栓组;选取螺栓组螺栓数目为3;联板厚度t=15mm;a=200mm;b=150mm;d4=30mm;d1=40mm;d2=d3=60mm;d5=16mm;DI可根据副车架与底盘大梁宽度进行相应调整。3.2焊缝强度计算根据图6螺栓组、联板形式示意图及确定后的螺栓组、联板形式,结合某款混凝土泵车的结构及连接特点,贴角焊缝尺寸为:L1=216mm;L2=82mm;h=8mm;L3=21mm;L4=108mm;Lc=120mm;H=753mm(根据该车上装重心确定);θ=60°。图7所示为该搭接接头贴角焊缝在承受复杂载荷时的计算示意图。混凝土泵车在运动过程中连接焊缝同时承受轴心力F、偏心力Fgx=mx·a,其中mx为惯性质量,a为上装与联板的相对加速度。偏心力Fgx的作用产生了一个对焊缝的偏心力矩M和作用在焊缝形心处的横向剪力T。本文按焊缝计算截面的极惯性矩来计算焊缝的强度。在贴角焊缝承受如图7所示的复杂载荷时,在焊缝计算截面上由轴心力F引起的水平剪切力τTx和垂直剪应力τyF分别为:由力矩M引起的水平剪应力τMx和垂直剪应力τMy分别为:其中Ix、Iy可通过图7所示尺寸计算得出。根据已知条件,联立(15)(16)(11)得联板焊缝合成剪应力τh。设联板数目为N(N取自然数),当该混凝土泵车在急停工况时,联板所受轴心力可忽略,则焊缝强度需满足:联板材料为Q345钢材,采用E50型焊条埋弧焊,手工焊得到角焊缝许用应力[τh]为167MPa。由式(17)可得联板数目N和剪切应力τh的关系,得不同联板数目的计算剪切应力τhN与许用应力[τh]对比关系如图8所示。当联板数目N=9时,联板焊缝剪切合应力为170MPa,大于167MPa;N=10时,联板焊缝剪切合应力为146MPa,小于167MPa,则该款混凝土泵车连接如需满足焊缝强度要求,联板数目应为N≥10。3.3螺栓组扭转受剪验算螺栓承压,故需校核螺栓。当螺栓组受力没有通过其中心,即螺栓连接为偏心受力时,如图9所示,外力向螺栓群中心O转化,则可由偏心受剪转化为轴心受剪和扭转受剪叠加。在轴心力F作用下,可以认为各个螺栓受剪力相等。若螺栓为n个,则每个螺栓受力为F/n,方向与F相同。利用轴惯性扭矩法对螺栓组扭转受剪进行计算,在扭转力M=F.e作用下,其计算需要如下基本假设:(1)被连接的构件绝对是刚性的,而螺栓是弹性的;(2)被连接的构件绕螺栓群中心O相对转动从而使螺栓受剪。据此,每个螺栓所受剪力的大小与其到中心O的距离ri成正比,且方向垂直于ri,则有:由平衡条件有:离螺栓组中心最远的螺栓受力最大为:所以针对如图9所示的螺栓组,离其中心最远的螺栓所受合力应满足:其中[N]min为Nvb(高强度螺栓的抗剪承载力设计值)和Ncb(高强度螺栓对应联板的承压承载力设计值)中的较小值。若取N=10时,根据式(2)、(3)可得[N]min=33480(N);据混凝土泵车急停上装惯性力,可由式(22)计算得离中心最远螺栓受力:4确定螺栓组及联板数目本文首先从高强螺栓与联板