钢结构螺栓连接的有限元数值模拟.pdf

王智 钢结 构螺栓连接的有限元数值模拟 6 1 钢 结构 螺栓 连接的有 限元数值模拟 王智 天津大 学建筑工程学院 。 天津3 0 0 0 7 2 【 摘要】 螺栓连接是钢结构连接的主要方式之一， 具有施工简单、 拆装方便等优点。现行钢结构规范中对 螺栓连接的计算都是在一定的假设条件下进行的。本文以钢结构规范中的计算公式为基础， 运用有限元数值分 析的方法， 采用 A B A Q U S来分析普通螺栓群在受剪和受拉条件下的各个螺栓的受力情况。将有限元软件模拟的 结果与公式计算结果进行比较 ， 证明规范公式的正确性。文中分别模拟分析了普通螺栓群在受剪的情况下承受 轴心力、 扭矩 ， 和普通螺栓群在受拉的情况下承受拉力、 弯矩的受力情况。 【 关键词】 螺栓连接； 有限元数值模拟 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 2 0 0 6 1 0 3 F I T E EL EM ENT NUM ERI CAL S Ⅱ江 UL ATI oN 0lF BoLT CoNNECTI oN W ANG Zhi S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e b o h c o n n e c t i o n a s o n e o f t h e ma i n w a y s o f s t e e l c o n n e c t i o n， h a s a d v a n t a g e s o f s i mp l e c o n s t r u c t i o n，e a s y d e mo l i t i o n a n d S O O i l ． Th e c a l c u l a t i o n o f b o l t c o n n e c t i o n i s i n a c e r t a i n h y p o the s i s c o n d i t i o n s i n the c u r r e n t c o d e ． T h i s a r t i c l e i s b a s e d o n c alc u l a t i o n f o r mu l a s i n c l u d e d i n c o d e f o r d e s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e s ， i t i s a d o p t e d t h a t fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s m e th o d a n d the s o f t w a r e A B A Q U S t o a n a l y s e t h e b e h a v i o u r s o f the o r d i n a r y b o l t g r o u p wh i c h a r e i n s h e a r a n d t e n s i l e c o n d i t i o n s ． T h e n ，the s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d the o u t c o me c a l c u l a t e d b y f o rm u l a s a r e c o mp a r e d i n o r d e r t o p r o v e t h e c o rr e c t n e s s o f t h e for - mu l a s o f t h e c o d e ． T h e p a p e r a n a l y s e s t h e b e h a v i o u r s o f the b o l t g r o u p i n the c a s e o f b e a r i n g s h e a r f o r c e a n d t o r q u e ． At the s a me t i me， i t i s a l s o a n a l y s e d t h a t the b e h a v i o u r s o f t h e b o l t g r o u p i n the c a s e o f t e n s i o n a n d mo me n t ． Ke y wo r d s b o l t c o n n e c t i o n；fi ni t e e l e me n t n u me ric a l s i mu l a t i o n 钢结构强 度高、 质量轻 、 塑性 和韧性好 、 抗 震性 能 好、 材质均匀可靠、 制造安装简便， 施工周期短 ， 近年 来， 随着我国钢产量的稳步提高及 国民经济的发展， 钢结构应用 日益广泛。螺栓连接是钢结构连接的主 要方式之一， 具有施工简单、 拆装方便等优点。现行 设计中仍然要加上梁的作用， 梁起到的作用更大的是 桥面行 走平稳 。 参考 文献 [ 1 ] 余风翔． 城市人行天桥设计上几个问题的探讨[ J ] ． 城市道桥 与防洪， 2 0 0 4， 3 2 93 3 ． [ 2 ] 肖德身 ． 城市人行立交的规划与设计[ J ] ． 株洲工学院学报。 2 0 0 3 ， 1 7 3 9 69 8 ． [ 3 ] 王志． 城市道路行人过街立交设施服务性能综合评价体系研 究[ D ] ． 西安 长安大学， 2 0 0 4 ． 钢结构规范中对螺栓连接的计算都是在一定的假设 条件下进行的。本文拟通过有限元软件对螺栓 的某 些连接形式进行数值模拟， 并将结果与已有公式计算 结果进行 比较 ， 以验证公式的正确性 。 1 普通螺 栓抗剪连接 的模拟与分析 [ 4 ] 陈宏彬 ． 关于城市人行天桥设计的一些探讨[ J ] ． 广东建材， 2 0 0 9， 4 1 9 1 1 9 3 ． [ 5 ] 林忠雄 ． 单肋钢管拱人行天桥的设计与探讨[ J ] ． 建设科技， 2 0 0 6， 1 8 8 28 3 ． [ 6 ] 邵忠民， 乔宇 ． 钢拱架在人行过街天桥设计中的应用[ J ] ． 市 政技术 ， 2 0 0 4 ， 2 2 5 2 6 8 2 7 1 ． [ 收稿 日 期] 2 0 1 2 1 l l 4 [ 作者简介] 陈熙 1 9 8 6一 ， 男， 辽宁锦州人， 硕士研究生 研究方向 建筑工程技术与管理。 6 2 低温建筑技术 2 0 1 3年第2 期 总第 1 7 6期 选择图 1 螺栓连接形式对螺栓抗剪连接进行模拟 分析。此为一钢板的对接接头， 钢板宽 4 8 0 m m， 厚度 1 8 ra m。两块连 接板长 3 3 0 ra m， 宽 4 8 0 m m， 厚 1 0 ra m。 左右分别用两排 8 个螺栓连接。其中板件孔洞直径为 2 1 m i l l ， 螺栓直径 2 0 m m。钢板与连接板材料均采用 Q 2 3 5钢材 ， 螺栓采用 c级螺栓。本文钢板和螺栓均采 用 C 3 D 8单元， 利用 N F O R C合成需 要的面的合力。 A B A Q U S 软件建立模型图2 。 4 5 7 O45 1 0 1 6 0 0 一 ’ 0 寸 _ - l 330 0 图1 螺栓抗剪连接形式 图2 螺栓抗剪连接形式模拟 1 ． 1 拉力作用下普通螺栓抗剪连接分析 对上述连接右侧 钢板边 缘平 面施 加 1 0 N ／ H Ⅱ n 的 均匀拉力 ， 相当于对整个模型施加了 8 6 4 0 0 N的轴心 力。根据规范， 螺栓群的抗剪连接承受轴心力时， 认 为轴心力 Ⅳ由每个螺栓平均分担， 即每个螺栓承受剪 力 为 5 4 0 0N 有限元数值模拟结果见表 1 。 表 1 螺栓抗剪连接受轴心力模拟结果 螺栓号 1 2 3 4 5 6 7 8 剪力／ N 5 5 0 9 5 2 3 6 5 2 2 2 5 5 1 5 5 6 3 6 5 4 3 7 5 3 8 5 5 6 0 1 根据分析结果可得出如下结论 ①各螺栓所受剪 力随不尽相同， 但相差不大， 与规范计算结果大致相 同， 最大误差为 4 ． 3 ％。在规范中， 假设每一个螺栓的 合力方向都是与拉力方向平行的。而分析结果显示， 这种假设也存在一定的误差。螺栓所受合力与拉力 方向的夹角很小； ②螺栓受力的分布， 在靠近板边缘 的更大一些 ， 越 向中间 ， 受力越 小 。并且 由于连 接件 的对称性， 螺栓受力分布也大致呈上下对称。 1 ． 2 扭矩作用下普通螺栓抗剪连接分析 对上述连接右侧钢板边缘平面施加大小为在右 侧钢板施加2 0 7 3 6 N m的扭矩。 在进行扭矩作用下的普通螺栓群计算时， 作了如 下假定 ①被连接的构件是刚性的， 而螺栓是弹性的； ②各螺栓绕螺栓群形心旋转， 其受力大小与其至螺栓 群形心的距离成正比， 力的方向与其和螺栓群形心的 连线垂直。相应计算公式为 ∑ ∑ 式中， r 。 ， r 2 ， ⋯， r 为各个螺栓至型芯的距离； T为 扭矩。 根据公式， 计算一侧钢板最外侧四个螺栓的剪 力为 ， r ～一 0 7 3 6 0 0 0 一 2 x 83 5 4 1 8 0 46 0 1 2 3 6 1 ． 3N 内侧四个螺栓的剪力为 ， r一 三 一 2 83 5 4 1 8 0 46 0 4 6 8 2 ． 4N 有限元数值模拟结果见表 2 。 表2 螺栓抗剪连接受扭矩模拟结果 根据分析可得出如下结论 ①各个螺栓的剪力方 向和螺栓与形心连线并非垂直， 但角度都大致接近 9 0 。 ， 内侧螺栓角度偏差较大； ②螺栓受力并非完全上 下对称。与外围螺栓相 比， 内部螺栓受力明显偏小。 实际工程 中我们 只关心 剪力 最大 的螺栓 。对 于外 部 的四个螺栓， 剪力大小基本都很接近手算的最大螺栓 剪切力 ， 最大误差 为 6 ． 1 ％ 。所 以规范 公式 的计算 结 果与实际情况是基本吻合的。 2 普通螺栓抗拉连接的模拟与分析 选择图3 螺栓连接形式对螺栓抗拉连接进行模拟 分析。此为一牛腿与柱翼缘由十个螺栓连接。牛腿 承受拉力及弯矩作用。螺栓直径 1 0 m m。钢板与连接 板材料均采用 Q 2 3 5钢材 ， 螺栓采 用 C级螺 栓。本文 钢板和螺栓均采用 c 3 D 8 单元， 利用 N F O R C合成需要 的面的合力。A B A Q U S 软件建立模型见图4 。 2 ． 1 拉力作用下普通螺栓抗拉连接分析 在牛腿的一端施加 1 0 0 N ／ m m 的均匀拉力。牛腿 边缘面的表面积为 8 4 0 0 m m 。普通螺栓群在拉力作用 王智 钢结构螺栓连接的有限元数值模拟 图3 螺栓抗拉连接形式 图4 螺栓抗拉连接形式模拟 下， 通常假定每个螺栓平均受力， 即每个螺栓受到的 拉力为 8 4 0 0 0 N 。有限元数值模拟结果见表 3 。 表 3 螺栓抗剪连接受轴心力模拟结果 根据有限元分析结果可以看出， 各个螺栓的受力 并不完全一致， 但相差不大。大部分螺栓的受力小于 规范计算结果， 只有一个螺栓受力接近。分析原因可 能由于本模型尺寸上下并不对称， 导致下部板材产生 较大的翘曲， 螺栓变形较大， 从而使相应螺栓拉力较 大。但总的来说， 最不利螺栓所受拉力与规范计算结 果非常接近， 误差仅为4 ． 4 ％。 2 ． 2 弯矩作用下普通螺栓抗拉连接分析 在整个模型的牛腿钢板上施加 8 8 2 0 0 N m的弯 矩。根据规范， 实际计算时可取最下排螺栓为中和 轴 ， 即认为变形为绕最下排螺栓处水平轴转动。相应 的螺栓拉力计算公式为 式中， 为弯矩 ； y i1 ， 2 ， ⋯， n 为螺栓至中和 轴的距离。 根据公式计算的各螺栓的拉力见表4 。 有限元数值模拟结果见表 5 。 表 4 螺栓抗剪连接受弯矩规范计算结果 根据有限元分析结果可以看 出， 根据理论假设， 螺栓的拉力应该是呈线性变化的。而实际上 ， 螺栓拉 力的变化趋势并非成线性变化， 但趋势也大致接近理 论结果， 各个螺栓的受力均比计算结果稍小。一般我 们只关心最不利螺栓的受力。模拟结果最不利螺栓 的受力比规范公式计算结果小 1 ． 9 ％ ， 可认为结果基 本一致。同时 ， 规范认为最下排螺栓为中和轴， 此处 螺栓不受力， 但从分析结果可知， 此处螺栓仍有拉力 存在 ， 但相对来说非常小 ， 认为此处螺栓非常安全。 3结语 通过分析结果可以看出， 有限元模拟的结果与理 论计算结果大体相同。误差主要表现为个别的螺栓 受力的大小和方 向有微小差别。规范中的公式做了 各种假设 ， 而我们在进行模拟的过程中也有很多简化 的地方。两者的整体受力趋势是一致的。在实际的 设计与验算 中， 我们关心的仅仅是最不利螺栓受力， 这一点上， 模 拟与理论值也是基本相同的。通过 比 较 ， 可得出结论 理论计算值是准确 的， 可以应用在实 际工程 中。 参考文献 [ 1 ] 丁阳． 钢结构设计原理[ M] ． 天津 天津大学出版社， 2 O O 4 ． [ 2 ] 朱伯芳 ． 有限单元法原理与应用[ M] ． 北京 中国水利水电出 版社 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 庄茁， 张帆， 岑松 ． A B A Q U S 非线性有限元分析与实例[ M ] ． 北 京 科学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 庄茁． A B A Q U S 有限元软件 6 ． 4版入门指南[ M] ． 北京 清华 大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 5 ] G B 5 0 0 1 7 - 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