端板連接中螺栓受力及破壞機(jī)理的有限元分析

端板連接中螺栓受力及破壞機(jī)理的有限元分析

端板連接是鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接的一種重要形式，主要由端板、高強(qiáng)度螺釘、端板動(dòng)力肋骨、柱腹板加固肋和節(jié)點(diǎn)區(qū)域柱翼邊緣組成。如圖1所示，。端板連接的構(gòu)造具有一定的復(fù)雜性,研究中存在相當(dāng)?shù)碾y度,許多細(xì)部的受力特征,例如端板接觸面壓力的大小和分布、螺栓的實(shí)際受力狀態(tài)等,在現(xiàn)有的試驗(yàn)條件下很難測(cè)得。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)端板連接的研究還不夠深入,理論上有很多不完善的地方,本文便是針對(duì)螺栓的受力屬性問題展開了討論。1節(jié)點(diǎn)的受拉區(qū)破壞端板連接節(jié)點(diǎn)主要承受梁部傳遞過來的彎矩和剪力,如圖2所示。其中,抗剪要求比較容易得到滿足,故而梁部彎矩是造成節(jié)點(diǎn)破壞的主要因素。典型的節(jié)點(diǎn)破壞形式如圖3所示。由圖3可見,在梁部彎矩作用下,節(jié)點(diǎn)的上部因受拉而破壞,我們通常稱之為受拉區(qū),而受拉區(qū)的破壞主要是由于位于梁翼緣上下兩側(cè)的螺栓(本文分別稱為第一排螺栓、第二排螺栓)發(fā)生了過大的拉伸和彎曲變形而造成的。由上可知,端板連接中的螺栓需要抵抗拉伸和彎曲的破壞作用,受力情況比較復(fù)雜。但現(xiàn)有規(guī)范中螺栓的受力計(jì)算模型只有抗拉螺栓和抗剪螺栓兩種,對(duì)于端板連接中螺栓的具體計(jì)算方法尚無明確規(guī)定。有的文章沿用傳統(tǒng)規(guī)范中的計(jì)算理論僅按抗拉進(jìn)行驗(yàn)算,還有一些文章認(rèn)為應(yīng)當(dāng)按照抗拉和抗彎同時(shí)驗(yàn)算,理論上存在較大的爭(zhēng)議。2螺栓預(yù)拉力—有限元建模與加載了更好的研究螺栓的受力屬性,本文運(yùn)用ANSYS軟件專門針對(duì)端板連接中的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了深入分析。考慮到端板厚度的變化對(duì)螺栓受力的影響最大,本文建立了4個(gè)不同端板厚度的試件模型,各試件中的關(guān)鍵尺寸如表1所示。材料的彈性模量均取E=2.06×105MPa,泊松比均取0.3。應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系均采用理想彈塑性。高強(qiáng)度螺栓的屈服強(qiáng)度為940MPa;其余材料的屈服強(qiáng)度為345MPa,每個(gè)高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)拉力155KN。端板與柱翼緣間摩擦面的抗滑移系數(shù)為0.4。所有實(shí)體均采用SOLID92單元進(jìn)行模擬,用TARGE170單元和CONTA174單元?jiǎng)?chuàng)建端板與柱翼緣之間的接觸對(duì),通過PRETS179單元在螺栓桿中部建立預(yù)拉力作用面。由于節(jié)點(diǎn)相對(duì)于梁柱軸線所在平面對(duì)稱,利用ANSYS中的對(duì)稱約束功能,本文僅建立了一半有限元模型,如圖4所示,可以節(jié)省計(jì)算機(jī)工作量。柱子上下兩端固定,在梁端施加集中荷載,如圖5所示。整個(gè)加載過程分兩個(gè)載荷步:第一載荷步施加螺栓預(yù)拉力荷載;第二載荷步在梁端施加豎向位移荷載,最大加載位移120mm。3ses應(yīng)力判斷材料破壞由于螺栓及鋼板都處于復(fù)雜受力狀態(tài),本文運(yùn)用第四強(qiáng)度理論中的等效應(yīng)力來考察材料的應(yīng)力狀態(tài),即根據(jù)ANSYS中的VonMises應(yīng)力判斷材料破壞與否。結(jié)果發(fā)現(xiàn)所建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袃煞N破壞形式:①第一排或第二排螺栓發(fā)生頸縮而破壞;②端板發(fā)生屈服而破壞。各試件的具體破壞形式見表2。除試件PT1之外,其他三個(gè)試件中的螺栓都發(fā)生了破壞,而且是位于梁翼緣兩側(cè)的第一排、第二排螺栓都發(fā)生了破壞。以下是針對(duì)于發(fā)生了破壞的螺栓的詳細(xì)分析,由于第一排和第二排螺栓所處位置不同,受力狀態(tài)也不同,本文分別加以分析。3.1螺栓在中間段拉拔特性圖6～8是極限狀態(tài)時(shí)各試件中第一排螺栓的豎向剖面應(yīng)力圖,反映了螺栓的應(yīng)力分布狀況和變形情況。其中的應(yīng)力是螺栓的縱向應(yīng)力,即水平方向的應(yīng)力。從圖6～8中可以發(fā)現(xiàn),所有試件的應(yīng)力分布都有如下特點(diǎn):①栓桿左端,上側(cè)拉應(yīng)力大于下側(cè),受負(fù)彎矩作用;②栓桿右端,下側(cè)拉應(yīng)力大于上側(cè),受正彎矩作用;③栓桿中間段,彎矩較小,存在反彎點(diǎn)。表3是各試件達(dá)到極限荷載時(shí)第一排螺栓左端、中部及右端的彎矩值,可以更清楚的反映出上述特征。從表3中的數(shù)據(jù)可見,所有螺栓都是右端彎矩最大,左端彎矩其次,中部彎矩最小。由于中間段彎矩的絕對(duì)值很小,因此可以認(rèn)為螺栓在中間段處于單純的受拉狀態(tài)。從圖6～8中還可以發(fā)現(xiàn),試件PT3、PT4螺栓的頸縮位置都接近于彎矩很小的螺栓桿中部,而非在彎矩最大的端部;試件PT2的頸縮位置雖然略靠近右端,但是這一位置的彎矩遠(yuǎn)小于右端彎矩,圖9是試件PT2第一排螺栓右端及頸縮處的彎矩—荷載變化曲線比較。由圖9可以發(fā)現(xiàn),頸縮處的彎矩一直小于右端彎矩,尤其是臨近破壞時(shí)彎矩迅速減小,受拉特征明顯。綜合可見,所有試件中的第一排螺栓,頸縮都沒有出現(xiàn)在栓桿彎矩最大的位置,而是在接近單純受拉的狀態(tài)下發(fā)生的。3.2螺栓桿總體彎矩對(duì)比圖10～12是極限狀態(tài)時(shí)各試件中第二排螺栓的豎向剖面應(yīng)力圖。從圖10～12中可以發(fā)現(xiàn),與第一排螺栓相比,第二排螺栓截面上下兩側(cè)的應(yīng)力分布比較均衡,而且頸縮的位置更接近中部。表4是各試件達(dá)到極限荷載時(shí)第二排螺栓左端、中部及右端的彎矩值。從表4中的數(shù)據(jù)可以更清楚的看到,與第一排螺栓相比,所有試件中第二排螺栓相應(yīng)位置的彎矩都很小,尤其是中部彎矩絕對(duì)值很小,因此,可以認(rèn)為整個(gè)螺栓桿是處于單純受拉的狀態(tài)。綜合可見,所有試件中的第二排螺栓,也是在幾乎單純受拉的狀態(tài)下發(fā)生了頸縮。4螺栓受彎矩影響的原因綜合本文