梁柱外伸端板连接中螺栓拉力及撬力研究

论述了梁柱端板螺栓连接的意义,端板连接的形式、研究分析方法,以及国内外的研究现状和水平。

根据h型钢梁柱外伸端板螺栓连接节点的简化力学模型，提出用节点尺寸来计算节点初始转动刚度ri的计算公式，通过与试验结果比较，验证了初始转动刚度ri的计算公式的正确性；并对节点的破坏形式、抗震性能及影响节点初始转动刚度的因素进行了分析讨论。

文章在工程实践的基础上,根据sac((sac是seaoc、atc、cures联合体))有关报告中的试验数据,用ansys模拟梁柱节点试验加载的全过程,并进行试验数据和有限元模拟数据的对比分析,在此基础上,对一种适用于工业建(构)筑物的新型外伸端板高强螺栓梁柱连接节点的延性性能进行了分析,分析的结论可应用于工程实践及有关标准的编制中。

分析高强螺栓外伸端板连接中,端板厚度、螺栓直径、节点域加劲肋、端板加劲肋等对高强螺栓拉力分布和承载力的影响。分析结果表明:1)随着外伸端板厚度增加,高强螺栓受到的拉力减小,当端板厚度较薄时,由于板件变形产生的附加撬力使高强螺栓受到的拉力增大,进一步证明了高强螺栓受拉连接中撬力的存在以及对其产生的不利影响;2)外伸端板受拉翼缘两侧螺栓受到的拉力基本相等,当节点连接板件的刚度满足设计要求时,高强螺栓转动中心位于受压翼缘附近,压应力由端板和柱翼缘共同传递,螺栓拉力分布符合t型件计算模型;3)外伸端板设置斜向加劲肋,可以增加外伸端板刚度,减小撬力影响。当节点域不设置加劲肋时,对柱翼缘设置背板进行局部加强,背板的加强作用不明显。研究结果可为高强螺栓外伸端板连接工程应用提供参考。

利用有限元软件ansys分析和研究了外伸端板高强螺栓受拉连接接头破坏的mises等效应力云图、端板变形、撬力分布以及螺栓拉力变化及分布。证明了撬力在端板连接中是显著存在的;增加端板厚度及设置加劲肋能够减小撬力影响;撬力的作用使高强螺栓拉力提高,外伸端板高强螺栓拉力的分布是以受压翼缘为转动中心的梯形分布。提出了考虑撬力作用的理论计算公式,算例结果表明,考虑撬力设计的计算公式较为简单并具有较好的设计适用性。

针对国内外关于外伸端板高强螺栓受拉连接的受力分析方法,研究端板刚性、弹塑性、塑性和t形件4种力学计算模型。端板刚性分析中将端板按无弯曲变形的刚性体考虑;弹塑性分析中假定受拉翼缘两侧的两排螺栓承担相同拉力,并考虑端板的部分塑性变形;塑性分析中每个螺栓的受力依赖于其本身的承载力,各排螺栓随拉力的增大依次达到屈服;t形件模型考虑端板的弹塑性变形,将受拉翼缘和螺栓简化为t形连接件。通过例题研究4种计算模型下高强螺栓受拉连接的计算方法,可为工程设计提供参考。

文章分析了撬力作用产生的原因,通过对国内外钢结构节点端板厚度设计中采用的对撬力作用计算和设计方法的比较,提出端板厚度计算过程中考虑计算撬力作用更合理,并指出gb50017-2003中端板厚度计算没有考虑撬力实际大小,过于保守。

钢框架节点设计中,梁与柱强轴方向的刚性连接通常采用端板式连接。分析了影响梁柱节点连接刚性的三个因素,包括端板厚度、柱加劲肋的设置和柱翼缘补强板设置与否。探讨了外伸端板厚度的计算公式和柱加劲肋的计算方法。根据受力分析,推导了柱翼缘补强板厚度的公式,为工程设计提供了一些参考。

螺栓抗拉连接中的撬力降低连接的极限承载能力和疲劳性能,在设计中需加以考虑。现行《钢结构设计规范》(gb50017-2003)无相关计算方法的规定。本文利用有限元方法对t形连接抗拉性能进行分析,通过对多个不同尺寸和材料特性的试件进行调查,讨论了各参数对撬力的影响。有限元计算结果和已有分析方法比较发现,aisc-lrfd方法因忽略了螺栓头对翼缘抗弯承载力的提高,低估了翼缘刚度较小情况下的撬力。若对aisc-lrfd计算模型中螺栓线处的弯矩不加以限制,其结果和有限元与试验吻合良好。

单管塔受风荷载、地震荷载、自重荷载等荷载作用,由于自重荷载较小,相对于风荷载来说对结构的受力性能影响较小,所以工程中塔体法兰节点的设计由抗弯承载力控制。本文即分析在弯矩作用下,法兰节点螺栓拉力的计算方法。

通过19个梁柱节点试件的有限元分析,以端板尺寸、螺栓间距、端板加劲肋以及柱腹板加劲肋等为试验参数,分析了节点的初始转动刚度和极限承载能力、延性与耗能、破坏形态等的影响,研究了螺栓端板连接的抗震性能,为钢结构抗震设计提供必要的理论依据。

对拉螺栓容许拉力

对火箭结构总体设计中弯矩作用下壳段对接螺栓拉力计算方法进行了分析,指出其中的不合理性,并采用有限元法对壳段典型对接形式进行了数值计算,探讨了对接端框厚度、螺栓分布圆半径及螺栓数目对螺栓拉力、对接面接触区域的影响

说明：梁翼缘采用焊接连接，腹板采用摩擦型高强螺栓连接 对接焊缝的抗拉抗压强度设计值 m：梁端弯矩（n.m） hob:梁腹板净高度(m) bfb:梁翼缘宽度（m） tfb:梁翼缘厚度（m） σ：焊缝强度(pa)#div/0! 依据美国钢结构规范（aisc）中规定，对于完全焊透焊缝（cjp）坡口焊，焊缝设计强度由基底金属强度 fl wfc w等于金属抗拉抗压强度设计值φfy（fbm），ф=0.9 fl w，fc w 可以取0.9fy 采用螺栓个数去上述三个公式中的最大值 v梁端截面剪力（n） nv bh 单个螺栓抗剪承载力设计值(n) anw b 梁腹板扣除螺栓孔后净截面面积(m^2) fv钢材抗剪强度设计值(pa) ml b 作用在梁左端的弯矩(n.m) mrb作用在梁右端的弯矩(n.m) l0梁净跨长度(m) nwb1#

运用ansys有限元软件分析了端板连接中螺栓的受力及破坏机理,发现螺栓虽然受到较大弯矩的作用,但是破坏的位置却在弯矩较小处,说明拉力是造成破坏的主要因素。因此建议对端板连接中高强度螺栓按照抗拉进行验算,弯矩可以不予考虑。

为加强梁柱端板螺栓连接部位的柱翼缘和柱腹板,采用有限元法对梁柱端板螺栓连接部位进行了细致分析,提出了柱翼缘贴板,贴板与柱翼缘焊接的方法,给出了贴板厚度的计算公式;且贴板可以很好的消除螺栓周围柱翼缘的弯曲冲切变形,达到与加厚节点区柱翼缘同样的效果.设计了柱腹板"morris"加劲肋能够同斜向对角加劲肋一样,大幅度减小节点域剪切变形,且不影响螺栓的排列.柱翼缘加贴板可以取代加厚节点区柱翼缘,节点域柱腹板可采用"morris"加劲肋加强.

4.86.88.8 392588784 一般构造用钢机械构造用钢铬钼合金钢 螺栓m（粗牙螺距）螺母对边mm最大拉力（kn）最大拉力（kn）最大拉力（kn） 14（×2）2244.3266.4788.62 16（×2）2460.3190.47120.62 18（×2.5）2773.92110.9147.85 20（×2.5）3094.32141.36188.47 22（×3）32117175.8234 24（×3）36135.7203.56271.4 27（×3）41177.24265.88354.48 30（×3.5）46216.1324.15432.17 33（×3.5）50267.77398.8535.4 36（×4）55312.8472.6630 39（×4）60376.5

采用组件法推导了端板螺栓连接初始刚度的计算方法.对螺栓预拉的情况,柱翼缘和端板的初始刚度采用跨中作用一集中力的两端固接梁模型来计算.通过与已有试验数据的对比验证了文中公式的可行性与有效性.

梁柱端板连接中为防止柱翼缘冲切破坏,传统做法是将梁端板高度范围内的柱翼缘局部加厚。该文提出一种柱翼缘局部外粘薄钢板加厚的新颖连接方式,并利用有限元软件abaqus进行了详细的分析。有限元计算结果表明,此种加强方式在规范/规程规定的传统加厚节点极限承载力标准值范围内,可以达到与传统焊接加厚形式同样的效果,并且可以避免传统形式的施工不便和应力集中等缺陷。最后提出了粘结加强形式节点的粘结层极限荷载的计算公式与节点的构造要求。

给出了8个梁-柱、梁-梁外伸端板螺栓连接试样的试验结果,其中4个连接件在外伸端板处使用了加劲肋。将低阻力螺栓受拉区和受压区的失效模式进行对比,基于整体弯矩-转角曲线和螺栓拉应力的发展对试验结果进行分析。试验主要关注失效模式、阻力发展、刚度及扭转能力。将试验结果与按照ec3提供的方法得到的分析结果进行对比,评估该分析方法(包括分析外伸端板处使用了加劲肋的连接件)的准确性。

依据有关规范和工程实践,提出了对高强螺栓直接施加预拉力的思路和方法,研制了高强螺栓液压预拉力张拉器,解决了扭矩系数不合规范要求的高强螺栓预拉力的施加及质量验收问题。工程实践表明,新工艺具有良好的应用效果和推广价值。

利用有限元软件ansys对端板型螺栓连接钢节点进行了弹塑性有限元计算,分析了节点中端板厚度的变化对螺栓内力及变形的影响,讨论了螺栓实际受力与设计方法的关系。进而提出了一些在端板型钢节点设计时值得思考的问题。