端板连接中螺栓受力及破坏机理的有限元分析

端板连接中螺栓受力及破坏机理的有限元分析

端板连接是钢结构梁柱连接的一种重要形式，主要由端板、高强度螺钉、端板动力肋骨、柱腹板加固肋和节点区域柱翼边缘组成。如图1所示，。端板连接的构造具有一定的复杂性,研究中存在相当的难度,许多细部的受力特征,例如端板接触面压力的大小和分布、螺栓的实际受力状态等,在现有的试验条件下很难测得。目前,国内外对端板连接的研究还不够深入,理论上有很多不完善的地方,本文便是针对螺栓的受力属性问题展开了讨论。1节点的受拉区破坏端板连接节点主要承受梁部传递过来的弯矩和剪力,如图2所示。其中,抗剪要求比较容易得到满足,故而梁部弯矩是造成节点破坏的主要因素。典型的节点破坏形式如图3所示。由图3可见,在梁部弯矩作用下,节点的上部因受拉而破坏,我们通常称之为受拉区,而受拉区的破坏主要是由于位于梁翼缘上下两侧的螺栓(本文分别称为第一排螺栓、第二排螺栓)发生了过大的拉伸和弯曲变形而造成的。由上可知,端板连接中的螺栓需要抵抗拉伸和弯曲的破坏作用,受力情况比较复杂。但现有规范中螺栓的受力计算模型只有抗拉螺栓和抗剪螺栓两种,对于端板连接中螺栓的具体计算方法尚无明确规定。有的文章沿用传统规范中的计算理论仅按抗拉进行验算,还有一些文章认为应当按照抗拉和抗弯同时验算,理论上存在较大的争议。2螺栓预拉力—有限元建模与加载了更好的研究螺栓的受力属性,本文运用ANSYS软件专门针对端板连接中的高强度螺栓进行了深入分析。考虑到端板厚度的变化对螺栓受力的影响最大,本文建立了4个不同端板厚度的试件模型,各试件中的关键尺寸如表1所示。材料的弹性模量均取E=2.06×105MPa,泊松比均取0.3。应力—应变关系均采用理想弹塑性。高强度螺栓的屈服强度为940MPa;其余材料的屈服强度为345MPa,每个高强度螺栓施加预拉力155KN。端板与柱翼缘间摩擦面的抗滑移系数为0.4。所有实体均采用SOLID92单元进行模拟,用TARGE170单元和CONTA174单元创建端板与柱翼缘之间的接触对,通过PRETS179单元在螺栓杆中部建立预拉力作用面。由于节点相对于梁柱轴线所在平面对称,利用ANSYS中的对称约束功能,本文仅建立了一半有限元模型,如图4所示,可以节省计算机工作量。柱子上下两端固定,在梁端施加集中荷载,如图5所示。整个加载过程分两个载荷步:第一载荷步施加螺栓预拉力荷载;第二载荷步在梁端施加竖向位移荷载,最大加载位移120mm。3ses应力判断材料破坏由于螺栓及钢板都处于复杂受力状态,本文运用第四强度理论中的等效应力来考察材料的应力状态,即根据ANSYS中的VonMises应力判断材料破坏与否。结果发现所建实验模型有两种破坏形式:①第一排或第二排螺栓发生颈缩而破坏;②端板发生屈服而破坏。各试件的具体破坏形式见表2。除试件PT1之外,其他三个试件中的螺栓都发生了破坏,而且是位于梁翼缘两侧的第一排、第二排螺栓都发生了破坏。以下是针对于发生了破坏的螺栓的详细分析,由于第一排和第二排螺栓所处位置不同,受力状态也不同,本文分别加以分析。3.1螺栓在中间段拉拔特性图6～8是极限状态时各试件中第一排螺栓的竖向剖面应力图,反映了螺栓的应力分布状况和变形情况。其中的应力是螺栓的纵向应力,即水平方向的应力。从图6～8中可以发现,所有试件的应力分布都有如下特点:①栓杆左端,上侧拉应力大于下侧,受负弯矩作用;②栓杆右端,下侧拉应力大于上侧,受正弯矩作用;③栓杆中间段,弯矩较小,存在反弯点。表3是各试件达到极限荷载时第一排螺栓左端、中部及右端的弯矩值,可以更清楚的反映出上述特征。从表3中的数据可见,所有螺栓都是右端弯矩最大,左端弯矩其次,中部弯矩最小。由于中间段弯矩的绝对值很小,因此可以认为螺栓在中间段处于单纯的受拉状态。从图6～8中还可以发现,试件PT3、PT4螺栓的颈缩位置都接近于弯矩很小的螺栓杆中部,而非在弯矩最大的端部;试件PT2的颈缩位置虽然略靠近右端,但是这一位置的弯矩远小于右端弯矩,图9是试件PT2第一排螺栓右端及颈缩处的弯矩—荷载变化曲线比较。由图9可以发现,颈缩处的弯矩一直小于右端弯矩,尤其是临近破坏时弯矩迅速减小,受拉特征明显。综合可见,所有试件中的第一排螺栓,颈缩都没有出现在栓杆弯矩最大的位置,而是在接近单纯受拉的状态下发生的。3.2螺栓杆总体弯矩对比图10～12是极限状态时各试件中第二排螺栓的竖向剖面应力图。从图10～12中可以发现,与第一排螺栓相比,第二排螺栓截面上下两侧的应力分布比较均衡,而且颈缩的位置更接近中部。表4是各试件达到极限荷载时第二排螺栓左端、中部及右端的弯矩值。从表4中的数据可以更清楚的看到,与第一排螺栓相比,所有试件中第二排螺栓相应位置的弯矩都很小,尤其是中部弯矩绝对值很小,因此,可以认为整个螺栓杆是处于单纯受拉的状态。综合可见,所有试件中的第二排螺栓,也是在几乎单纯受拉的状态下发生了颈缩。4螺栓受弯矩影响的原因综合本文