高强螺栓受拉连接等效形件的承载力分析

高强螺栓受拉连接等效形件的承载力分析

1螺栓排的受力分析在欧洲标准ep3中，如图1所示，连接节点的大型螺丝板o型板可简化为f的t形件，并将其分类为t形件。对于受拉翼缘处的螺栓排,受力分析按图1(a)所示;其它的内排螺栓可以作为单独螺栓排进行受力分析,如图1(b)所示,也可将其作为一个螺栓排群进行受力分析,如图1(c)所示。图2所示为T形件受拉连接可能发生的三种破坏模式。1.1t形件破坏模式的抗拉承载力分析第1种破坏模式为T形件翼缘的根部和螺栓位置处屈服。当连接的螺栓刚度大于T形件翼缘板或柱翼缘板的刚度时,T形件翼缘的变形大于高强螺栓伸长量,板边缘较早的形成杠杆力,破坏时塑性铰的位置和分布如图2(a)所示。这时,T形件翼缘的抗拉承载力FT,1可由公式(1)～(3)得到:(0.5FΤ,1+Q1)m-Q1(n+m)=Μp1(1)FΤ,1=2Μp1+2Q1nm(2)Μp1=14Σlef,1t2ffy/γΜ0(3)(0.5FT,1+Q1)m−Q1(n+m)=Mp1(1)FT,1=2Mp1+2Q1nm(2)Mp1=14Σlef,1t2ffy/γM0(3)式中:Q1为破坏模式1中产生的撬力;Mp1为T形件在第1种破坏模式下翼缘的塑性弯矩;Σlef,1为破坏模式1中等效T形件塑性铰线的总有效长度;fy为钢材的屈服强度;γM0为材料的抗力分项系数;n取T形件翼缘边缘到螺栓的距离和柱翼缘边缘到螺栓距离的较小值,m取螺栓到T形件翼缘与T形件腹板焊缝边缘之间的距离,且应满足n≤1.25m。当翼缘完全屈服时,得:Q1n=Μp1(4)Q1n=Mp1(4)将式(4)代入式(2)得到T形件连接翼缘的抗拉承载力为:FΤ,1=4Μp1m(5)FT,1=4Mp1m(5)为了增加柱翼缘板受拉区在螺栓开孔处的局部刚度,EC3对柱翼缘采取了局部增加背板的连接方式,如图3所示。带有背板的T形件的计算简图见图4,T形件的承载力FT,1,bp按式(6)～(8)计算确定。(0.5FΤ,1,bp+Q1)m-Q1(n+m)=Μp1+Μbp(6)FΤ,1,bp=4Μp1+2Μbpm(7)Μbp=14Σlef,1t2bpfy,bp/γΜ0(8)(0.5FT,1,bp+Q1)m−Q1(n+m)=Mp1+Mbp(6)FT,1,bp=4Mp1+2Mbpm(7)Mbp=14Σlef,1t2bpfy,bp/γM0(8)式中:Mbp为背板的塑性弯矩;fy,bp为背板的屈服强度;tbp为背板的厚度。通过上述公式可以看出,柱翼缘采用背板加强后,T形件翼缘的抗拉承载力增大了2Mbp/m。T形件的极限弯矩由Mp1增大至Mp1+Mbp,这说明背板能够提高T形件翼缘的抗拉承载能力,即增大了端板和柱翼缘的抗弯能力。设置背板时,背板的外侧应延伸至柱翼缘边缘,背板内侧应延伸至距角焊缝或圆角起点不足3mm处,背板沿长度hbp方向应延伸至受拉最外排螺栓以外。1.2t形件翼缘的塑性铰第2种破坏模式为T形件翼缘在根部形成塑性铰且螺栓破坏失效。这种破坏模式出现在T形件的翼缘刚度和高强螺栓相近时,在外加拉力的作用下,T形件翼缘的变形与高强螺栓受拉后伸长量相近,翼缘和螺栓几乎都能达到极限承载力状态,最终螺栓被拉断,翼缘根部形成塑性铰,如图2(b)所示。这种破坏机制下T形件翼缘的抗拉承载力FT,2可由式(9)～(11)得到:(0.5FΤ,2+Q2)m-Q2(n+m)=Μp2(9)(0.5FT,2+Q2)m−Q2(n+m)=Mp2(9)螺栓极限承载力:ΣFt=FΤ,2+2Q2(10)Μp2=14Σlef,2t2ffy/γΜ0(11)ΣFt=FT,2+2Q2(10)Mp2=14Σlef,2t2ffy/γM0(11)式中:Q2为破坏模式2中产生的撬力;Mp2为破坏模式2中端板的塑性弯矩;Σlef,2为破坏模式2中等效T形件塑性铰线的总有效长度;ΣFt为T形件中所有螺栓的Ft之和;Ft为一个螺栓的抗拉承载力。将式(10)代入式(9),得:FΤ,2=2Μp2+nΣFtm+n(12)FT,2=2Mp2+nΣFtm+n(12)1.3t形件翼缘破坏模式第3种破坏模式为当T形件翼缘较厚时,在外加拉力的作用下,T形件翼缘几乎不发生变形,而高强螺栓受到较大的拉力,出现较大伸长量后,达到高强螺栓抗拉极限承载力,最终螺栓拉断而T形件翼缘仍处于弹性阶段,如图2(c)所示。节点设计时一般不考虑这种破坏模式,原因是不仅端板要厚,和它接触的柱翼缘也要加厚,用料太多。在第三种破坏模式中,T形件翼缘几乎不发生弯曲变形,所以不产生撬力,连接T形件翼缘的抗拉承载力FT,3为:FΤ,3=ΣFt(13)FT,3=ΣFt(13)通过式(1)和式(9)可以看出,破坏模式1和破坏模式2都考虑了撬力对抗拉承载力的影响。如果不计撬力对承载力的影响,即令Q1、Q2都为0,由式(1)和式(9)可以得出:FΤ,i=2Μpim(14)FT,i=2Mpim(14)2等式t的有效长度2.1螺栓排的t形件有效长度的确定外伸型端板连接中,端板外伸部分应作为单一的螺栓排考虑,即在确定其受拉承载力时,将单一的螺栓排模拟成一个等效T形件单独分析,有效长度如图5中的lef,a。其它的内排螺栓可以作为单一的螺栓排考虑,这时应确定每一等效T形件的有效长度lef,如图5所示,需分别确定lef,b、lef,c和lef,d;也可将其用一个螺栓排群来考虑,这时需确定螺栓排群的总有效长度Σlef。当端板设置加劲肋时,外伸型端板简化为T形件的方法与端板不带加劲肋时简化为T形件方法的不同之处是:与端板相连加劲肋的两侧的螺栓排应分别处理成等效T形件,如图6所示。2.2端板内塑性铰线的形态当T形件连接节点达到极限承载力状态时,端板上将有特定形式的塑性铰线形成,如图7所示。端板内塑性铰线有圆形和折线形两种分布模式。当螺栓的间距a较大时为图7(a)和(b)所示的分布模式,当螺栓的间距a较小时为图7(c)和(d)所示的分布模式。表1中等效T形件的有效长度就是根据端板内圆形和折线形两种不同的屈服线分布模式分别确定的。2.3螺栓排的有效长度等效T形件的有效长度按螺栓排的具体位置和塑性铰线分布模式确定,取值方法如表1所示。对端板外伸部分,确定等效T形件的有效长度时,用ex和mx代替e和m。当T形件发生图2(a)所示的第1种破坏模式,作为单一的螺栓排进行考虑时,有效长度取值:{lef,1=lef,ncplef,1≤lef,cp(15){lef,1=lef,ncplef,1≤lef,cp(15)作为螺栓排群考虑时,有效长度取值:{Σlef,1=Σlef,ncpΣlef,1≤Σlef,cp(16)当T形件发生图2(b)所示的第2种破坏模式,作为单一的螺栓排进行考虑时,有效长度取值:lef,2=lef,ncp(17)作为螺栓排群考虑时,总有效长度取值:Σlef,2=Σlef,ncp(18)当柱子设置横向加劲肋时,如图8所示,加劲肋下的第一排螺栓可以简化为等效T形件,其有效长度的计算需用到系数α,如表1中项次2中确定lef,b值时需用到系数α。根据图8所示的e、m1、m2,由式(19)、(20)计算λ1和λ2值,再由图9确定α值。λ1=m1m1+e(19)λ2=m2m1+e(20)系数α、λ1和λ2都是基于屈服线理论确定的。由图9可以看出,当λ1和λ2越大时,表示螺栓距离加劲肋m1、m2的值越大,α值越小。文献的研究结果表明,当α值减小到约4.75时,屈服线的分布模式由圆形模式趋向为折线模式,由表1查得T形件的有效长度lef,b也就越小。由式(3)、(8)、(11)可以看出,当T形件的有效长度减小时,T形件的塑性弯矩也随之减小,T形件的极限承载力也就随之降低。由式(4)可以看出,减小螺栓中心到端板边缘的距离n时,即减小了撬力作用的内力臂,将增大撬力,从而由式(10)可以看出,T形件的极限抗拉承载力将降低。3模式的验算及验算(1)受拉等效T形件可能发生三种破坏模式,T形件发生哪种破坏模式取决于螺栓和连接翼缘之间的相对强弱关系。在端板连接节点的设计中,由于无法判断其属于哪种破坏模式,EC3规定对这三种破坏模式都需要进行验算。这三种破坏模式均考虑了撬力的影响。(2)柱翼缘受拉螺栓孔位置设置背板能够有效地提高T形件翼缘的抗拉承载力,增大端板和柱翼缘的抗弯能力。(3)T形件连接节点达到极限承载力状