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收稿日期:2007-09-10

基金项目:黑龙江省科学技术攻关重点项目(G B02C204 作者简介:吴兆旗(1977—

,男,博士,主要从事钢结构研究.文章编号:1671-2021(200803-0393-05 梁柱外伸端板连接螺栓受力分析 吴兆旗1,张素梅1,李 宁2

(11哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090; 21沈阳市开发建设管理办公室,辽宁沈阳110013

摘 要:目的研究钢结构梁与柱之间外伸式端板连接中摩擦型高强螺栓的受力特性.方法采用考虑接触和螺栓预拉的非线性有限单元法对不同构造的梁柱外伸端板连接进行分析.结果

得到了连接中各螺栓所受拉力与外荷载之间的关系.受压区螺栓拉力变化不大,受拉区螺栓拉力随着弯矩增加而增大.结论在整个加载过程中梁受拉翼缘内、外侧螺栓所受拉力相差不大.因端板变形产生的撬力增大螺栓受力,对于端板外伸部分未设置加劲肋和设置三角形加劲肋的连接来说,可分别按照撬力比为013和012设计螺栓.关键词:外伸端板连接;高强螺栓;撬力;有限元分析中图分类号:TU391 文献标识码:A 在钢结构工程中采用高强度螺栓的外伸式端板连接,具有避免现场焊接、安装方便、施工快捷等优点.端板连接抗弯设计时,假定各螺栓所受拉力大小与其到螺栓群形心轴的距离成正比[1],该假定适用于螺栓处于弹性状态且接触面保持紧密贴合、端板刚度为无限大时,不适用于连接的极限状态,偏于保守[2];另外,把端板设计得足够厚以满足刚度无限大的要求也是不经济的[3].近年来,国内外学者已开始对弯矩作用下端板连接中高强螺栓受力性能进行研究[4-9].文献[4-7]进行了梁柱端板连接螺栓受力特性试验研究,但由于螺栓受力复杂与测量手段的局限性,测得结果中存在无法解释的现象[6].现代有限元技术的发展,为研究螺栓受力性能提

供了一种新途径[5,8].文献[5]把端板连接等效成T 形件连接,用有限元方法研究了T 形件连接在拉力荷载作用下的螺栓受力性能;文献[8]进行了6个梁与边柱连接试件有限元分析,研究了撬力对螺栓受力的影响.但已有分析中螺栓模型过于粗糙,高估了螺栓刚度和延性,文献[10]在螺栓精确模拟的基础上,提出了改进的螺栓模型.笔者应用ANSYS 软件和

文献[10]提出的改进螺栓模型建立了梁柱外伸端

板连接三维有限单元模型,对不同构造的连接进行分析,研究了各螺栓所受拉力与外荷载之间的关系,根据分析结果提出了外伸端板连接中螺栓的简化设计方法.

1 有限元模型

典型的梁与中柱外伸端板连接节点模型如图1所示.根据对称性,只取其中1/4进行分析.假定螺栓为轴对称,螺栓杆螺纹部分用具有螺栓有效直径的圆柱体代替,其余无螺纹部分用螺栓名义直径,螺栓头和螺帽横截面近似按圆形来考虑,垫圈与螺栓杆不直接相连[10].连续体采用8节点六面体单元SOL ID45模拟.利用接触对单元(CON TA174、TAR GE170来模拟板件之间及螺栓与板件之间的相互作用,螺栓预拉力用预拉单元PRETS179施加.端板和柱子翼缘之间存在一定的摩擦,属于库仑摩擦接触问题.在分析中螺栓头和端板及柱子翼缘表面之间的接触也认为是符合库仑摩擦接触类型.螺栓孔和螺栓杆之间无摩擦,二者之间的接触只是阻止相互入侵.螺栓预拉

2008年5月第24卷第3期 沈阳建筑大学学报(自然科学版

Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13

力大小取《钢结构设计规范》(G B50017-2003规定的预拉力设计值

. 图1