高强度螺栓连接的有限元分析

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1、万方数据第7卷第4期2007年7月潍坊学院学报JournalofWeifangUniversityV01．7No．4Jul．2007高强度螺栓连接的有限元分析卓柳长江(潍坊学院，山东潍坊261061)摘要：在已有试验结果的基础上合理地建立数值模型，采用大型有限元分析软件对摩擦型高强螺栓的抗剪连接性能进行分析，探讨摩擦系数、螺栓的预拉力、螺栓的材料性能等对连接的影响。关键词：摩擦型高强螺栓；摩擦系数；预应力中图分类号：TU323文献标识码：A文章编号：1671-4288(2007)04—0123-03钢结构节点连接常用的有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种连接形式。其中螺栓连接有普通螺栓

2、连接和高强度螺栓连接两种连接方式，而高强度螺栓连接按其受力特征分为高强度螺栓连接和承压型高强度螺栓连接两种类型，其中摩擦型高强度螺栓连接施工简单、耐疲劳、可拆换、能承受动力荷载，是钢结构中广泛采用的一种方式。文献[1]已经给出了摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力计算公式，并对其抗滑移系数和预拉力作了明确规定。但对日益复杂的结构形式和节点构造处理方式，获知它的基本受力性能还是必要的，可有助于更好地进行钢结构设计。为此本文将在已有试验结果的基础上对摩擦型高强螺栓的抗剪连接性能进行探讨。1计算模型为了使建立的计算模型合理，能反映高强螺栓连接实际受力情况，本文取文献[2]的s2试件(见图1)建立计

3、算模型。考虑试件受力和构造的对称性，取其一半作为计算模型来分析高强螺栓的受力特点。图I计算模型选取的试验试件2高强螺栓连接有限元模型本文采用ANSYS程序对图1所示的连接节点建立有限元计算模型。对连接板及拼接板单元进行映射网格划分，单元采用八节点SOLID45实体单元，实体单元的三个方向的尺寸不能悬殊太大，最大的边长比控制在lO以内。螺栓头和螺栓帽用圆柱体模拟，单元也采用八节点SOLID45实体单元，螺拴头和螺拴帽的垫片不单独考虑，但将它们的厚度分别加入螺栓头和螺栓帽的圆柱体中，栓杆用圆柱体来模拟，圆柱体横截面面积为栓杆的毛面积。图2通过试验结果验证的计算模型模型采用三维实体元，Mi

4、ses屈服准则，塑性区采用随动强化模型，计算时采用更新的拉格朗日列式，大变形效应打开(整体刚度矩阵中包含几何刚度矩阵)以考虑P一△效应及摩擦面间的滑移，三阶高斯积分，误差限为1．0x10～。连接板与拼接板及螺栓帽间的摩擦是接触问题，是～种高度非线性行为，本文选取目标单元targel70和接触单元Con—tal74来模拟这一接触状态，其摩擦系数按文献[1]}收稿日期：2007—04—28作者简介：柳长江(1965一)，男，河南焦作人，潍坊学院土木_r_ffg系副教授，博士。万方数据潍坊学院学报2007年7月O5lO1520250510152025位移(mm)位移(ram)图3S2试件的

5、实验结果和计算结果选取。高强度螺栓的预拉力采用预拉伸单元方法进行加载，分析过程中包含了材料、几何和状态PRETSl79来施加。边界条件如图1所示。为了尽的三重非线性，其结果如表1所示，其P一△曲线如可能准确地模拟连接的受力，同时亦不过多增加计图3所示。从实验曲线和有限元计算曲线对比可算时间，采用了对称性，取一半进行分析，整个模型知：计算的初始刚度略高于实验值，可能是未考虑实的有限元网格划分如图2所示。际构件的初始缺陷引起的。但从总体上来说，计算材料参数按文献[2]取用，根据规范⋯对热处值和实验值吻合较好，模型用于分析螺栓连接有足理后螺栓的最低要求，对于10．9级高强度螺栓：屈够的精度

6、。服强度or。=940Mpa，叮．；=10／9×fy=1044．44N／通过对抗剪高强度连接构件的有限元计算，可m，2，￡。=10％；对于8．8级高强度螺栓：屈服强度得到有限元模型在极限承载力时的应力分布如图图crv：640Mpa，叽：10／9×fv：820N／mm2，8：，所示。由图可知，此时最大应力分布在拼接板的u10％4可计算出高强螺栓的屈服应变8，=0．456％可计算出高强螺栓的屈服应变￡，=0．456％。上述各种材料的泊松比均取为^y=0．27，E=206000N／mm2。3高强螺栓连接的有限元模拟及受力分析建立图1中所示的构件约束，采用控制位移的一124一中间螺栓孔的横截

7、面处，其值都已超过材料的屈服强度，且局部已达到材料的抗拉强度；在连接板的边缘螺栓孔的横截面处，其值也已超过，但要比拼接板的中间螺栓孔的横截面处的应力稍小一些。变形最大的也在拼接板的中间螺栓孔的横截面处。图4极限荷载下连接板与拼接板的应力分布图卯∞o32l一至一铽挺∞o321l2芒獬挺万方数据第4期柳长江：高强度螺栓连接的有限元分析以上述方法为基础，对T1～，13试件进行非线性有限元分析，计算结果见表l。从表1中可以看出，增大摩擦系数，可以提高滑移荷载，而对