端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究

第 2 2卷 第 3期 2 0 0 5年 9月 建筑科学与工程学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 2 2 NO 3 S e p t 2 0 05 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 0 5 ) 0 3 0 0 4 5 1 0 端板连接高强度螺栓群中和轴位置研究 王素芳 ， ( 1 同济大学 土木工 程学 院 ， 上海 陈以一 ， 陈友泉 ， 魏 潮文 2 0 0 0 9 2 ； 2 浙江杭萧钢构股份有 限公 司， 浙江 杭州 3 1 0 0 0 3 ) 摘 要 ： 为研究端板连接 中高强度螺栓群的 中和轴位置变化 ， 对 门式刚架外伸式端板连接进行 了试 验研 究与理论计算。试验采用 4种梁截 面尺寸， 选择端板厚度和端板加 劲肋作为研 究参数 ， 对 1 2 个试件进行 了单调加 载试验 ， 通过在螺栓杆无螺纹区开槽粘贴应 变片测量 了端板螺栓 力的变化 情 况。理论计算系建立带弹性支座的连续梁模型模拟端板连接 ， 将模型计算结果与试验结果 比较分 析 ， 结果表明： 加载过程 中， 螺栓群 中和轴逐渐从其形心轴向受压 区移动 ， 但不超过受压翼缘 内侧螺 栓 中心线； 极限状 态下， 受拉翼缘和端板可简化为等效 T型件。根据理论模型， 进行 了简单的参数 分析， 研究 了撬 力、 端板厚度和螺栓排列等对连接性能的影响。最后结合试验结果及理论计算， 对 现有计算方法进行 了评价。 关键词 ： 端板连接 ； 高强度螺栓 ； 中和轴 ； 理论模型 中图分类号 ： TU3 2 3 文献标志码： A Re s e a r c h o n n e u t r a l a x i s l o c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h bo l t s o f e n d pl a t e c o n ne c t i o n s W A NG Su f a n g ，CH EN Yi y i 。CH EN You q u a n 。W EI Cha o we n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a ； 2 Z h e j i a n g Ha n g x i a o S t e e l S t r u c t u r e Co r p o r a t i o n L t d ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 3，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e n e u t r a l a x i s l o c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h b o l t s i n e x t e n d e d e n d p l a t e c o n n e c t i o n s ，a s e r i e s o f j o i n t t e s t s f r o m p o r t a l f r a me a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s we r e e x e c u t e d The r e we r e a l t o ge t he r t we l v e c on ne c t i on s p e c i m e ns ，whi c h i nc l ud i n g f o ur ki n d s o f be a m s e c t i on s， we r e t e s t e d u nde r mon ot on e l o a d i n g Bo l t f or c e wa s m e a s u r e d by t h e s t r a i n ga u ge s a f f i xe d t o no t c he d b o l t s ha n ks S uc h p a r a me t e r s a s e nd p l a t e t hi c kn e s s a nd e nd - p l a t e s t i f f e ne r we r e i n t r o d u c e d Co n t i n u o u s b e a m mo d e l s wi t h s p r i n g s u p p o r t s we r e s e t u p t o mo d e l e n d - p l a t e c o nn e c t i o ns By c o m p a r i ng t he r e s u l t s f r o m t e s t s wi t h t ho s e f r o m m o de l a n a l y s i s，t h e f ol l o wi n g c o nc l us i o ns c a n b e d r a wn：d ur i ng l o a d i n g pr o c e s s ，t h e ne ut r a l a x i s m o v e s f r o m t he c e nt r o i d a xi s t o c o mp r e s s i o n z o ne， n o t e xc e e d i n g t he c e nt e r l i ne o f b ol t s i ns i d e t he c o mpr e s s i o n f l a n ge； u l t i ma t e l y，t he t e n s i o n f l a ng e a nd e n d p l a t e c a n be s i mpl i f i e d a s T s t ub on t he a s s u m p t i on t ha t t he a x i a l f o r c e s of b ol t s i n t e ns i o n z on e a r e e qu a l t o e a c h o t he r Si m p l e pa r a m e t e r a n a l y s i s b y t he or e t i c a l m o d e l wa s d on e t o s t ud y t he i n f l u e nc e o f pr y i n g f o r c e ， e nd p l a t e t hi c kne s s a nd b ol t a r r a ng e m e n t on c on ne c t i on b e h a vi or Fi n a l l y，a v a i l a bl e c a l c ul a t i o n m e t ho d s f o r bo l t s i n e nd p l a t e c o nn e c t i o ns we r e e v a l u a t e d b y t he an a l y s i s of t e s t d a t a a nd t he or e t i c a l c al c ul a t i o n Ke y wo r d s ：e n d p l a t e c o n n e c t i o n ；h i g h s t r e n g t h b o l t ；n e u t r a l a x i s ；t h e o r e t i c a l mo d e l 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 3 2 2 作者简介 ： 王素芳 ( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 山西黎城人 ， 工学博士研究生 E ma i l ： wa n g _ s u f a n g 1 6 3 c o m 维普资讯 4 6 建筑科 学与工程学报 2 0 0 5 血 0 引 言 力学模型分析， 对此作了专题研究。 钢梁端板连接中广泛采用高强度螺栓摩擦型连 接来承受构件传来 的剪力 和弯矩。在抗弯计算 中， 螺栓拉力分布将影响到螺栓数量及端板厚度等的计 算 ， 是设计的关键 问题之一 。各 国关于螺栓拉力 的 计算主要有 3种方法 1 ： 传统的三角形分布计算法 、 塑性设计法和 T型件法。 中国习惯上采用传统方法， 将端板看作刚性转 动的平面， 螺栓群受力呈线性分布。其 中关于端板 转动的中和轴位置主要有两种假设 ： 一种认为中和 轴通 过端板形心 2 ， 通常就是螺栓群 的形 心， 如 图 1 ( a ) 所示； 工程计算 中常假设 中和轴位于底排受压 螺栓处 ， 如图 1 ( b ) 所示 。另外还有一种算法口 ， 将 梁根部截面弯矩简化为作用于梁上 、 下翼缘的力偶 ， 把梁受拉翼缘和相应的部分端板作为独立 的 T型 件， 认为弯矩的拉伸作用 完全由 1和 2两行螺栓 承 担 ， 如图 1 ( c ) 所示。以图 1 ( e ) 中的节点为例， 分别 计算 3种分布模式下的螺栓力 。当梁根部截面弯矩 为 1 3 5 k N m 时， 由如图 1 ( a ) ( c ) 所示的分布算 得的螺栓最大拉力分别为 1 3 0 、 1 0 3 、 1 1 0 k N， 如取用 1 0 9 级高强度螺栓 ， 则 3 种分布所设计出的螺栓规 格分别为 M2 4 、 M2 0 、 M2 0 ， 相应 的按规范计算的端 板最小厚度也将有所不 同。反之 ， 如已经确定使用 1 0 9级 M2 0高强度螺栓 ， 并 以图 1 ( e ) 环线 中所示 螺栓为 1个标准列 ， 则 由如图 1 ( a ) ( c ) 所示的分 布算得的螺栓列数分别为 2 1 、 1 7 、 1 8 ， 根据螺栓 需成对对称布置的原则 ， 后两种情况按 2列螺栓布 置即可， 而第一种情况需按 4列螺栓布置 ， 这显然造 成很大的浪费 ， 可行的办法是在受拉区第二排螺栓 下方再增加 1 排螺栓 。 ) 露 ( a ) 分布l ( b ) 分布2 ( c ) 分 布3 ( d ) 端 板 连 接 ( e ) 螺 栓布 置 图 1 螺栓拉力分布 mm Fi g 1 Di s t r i b ut i o n o f b ol t pu l l i n g f o r c e 由以上算例可见 ： 准确 、 合理确定 中和轴位置是 端板连接设计中的重要环节 。已有学者对端板连接 中高强度螺栓的受力性能进行 了研究 4 ， 但对螺 栓群中和轴位置的研究较少。笔者通过节点试验和 1 试验研 究 1 1 试 验方 案 试件由焊接 H型梁和外伸式端板组成， 主要参 数有端板厚度和端板加劲肋。试件共 1 2 件， 见表 1 。 表 1试件参数 Tab 1 Pa r a me t e r s o f s pe c i me n s 序 试件 端板厚 端板加 端板布 螺栓直 螺栓 群抗弯承 载力 号 编号 度 mm 劲肋 置编号 径 mm 矩设计值 ( k N m) 1 A1 1 EM 1 6 无 EPA 2 0 2 2 7 2 A1 2 EM 2 0 无 EPA 2 0 2 2 7 3 A2 1 EM 2 1 6 无 EPA 2 0 2 2 7 4 A2 2 EM 2 0 无 EPA 2 0 2 2 7 5 B2 1 EM 1 6 无 EP B1 2 0 4 4 2 6 B 2 5 E M 2 0 有 E P B 2 2 0 4 4 2 7 C 3 2 E M 2 0 无 E P C1 2 4 3 3 6 8 C3 3 EM 2 5 无 EP C1 2 4 3 3 6 9 C 3 5 E M 2 0 有 E P C2 2 4 3 3 6 1 O C 3 6 E M 2 5 有 E P C2 2 4 3 3 6 1 1 D4 2 EM 2 0 无 EPD 2 4 6 4 5 1 2 D3 2 FM 2 0 无 E PD 2 4 6 4 5 注： 试件 D3 2 F M 的翼缘 板平 面与端板平 面不垂直 ， 翼缘板倾斜 度为 1：1 2 。 试件按照梁截面尺寸分为 A、 B、 C、 D 4组 ， 梁截 面尺寸( 高度 宽度腹板厚度 翼缘厚度) 分别为 3 1 6 mm 20 0 mm 5 m m X 8 mm 、61 6 m m 2 0 0 mm 5 mm 8 mm 、 3 2 4 mm 20 0 m m 8 mm 1 2 mm、 6 2 4 mm2 0 0 mm8 mm1 2 mm。梁 有效长度 L除 A 组试件为1 5 O O mm外 ， 其余试件 均 为 2 0 0 0 mm。 试件均采用 Q3 4 5钢。端板厚度参 照文献 - 7 3 进行设 计。端 板 螺栓 为 1 0 9级 高 强 度 螺栓 ， 有 M2 0 、 M2 4两种。抗滑移 系数取 0 5 。螺栓按 等强 原则设计 ， 即设计荷载取梁根部截面翼缘边缘达到 Q3 4 5 钢材抗拉强度设计值时的弯矩， 螺栓拉力计算 采用图 1 ( a ) 分布。端板尺寸及螺栓布置见图 2 ， 按照 图 2求得螺栓群的抗弯承载力矩设计值 Mr ， 见表 1 。 试验装 置见 图 3 。试件 通过 过渡 段与支 座连 接 ， 过渡段翼缘( 柱翼缘) 厚度 t 为 2 5 mm。端板与 过渡段 、 过渡段与支座 的高强度螺栓连接面均采用 喷砂处理。高强度螺栓按照文献 E 2 3 采 用扭矩法进 行施 工 。 采用液压千斤 顶在悬臂梁 的 自由端施加集 中 力 ， 高强度螺栓承受端板传来的弯矩和剪力， 并 以弯 维普资讯 第 3期 王素芳， 等 ： 端板连接高强度螺栓群 中和轴位置研 究 4 7 d3 ( a ) EP A 端板加劲肋 0 0 0 0 0 ,7 0 1 2 0 0 ， 0 端板加劲肋 ( c ) EP C2 图 2 端 板 尺 寸 及 螺 栓 布 置 mm Fi g 2 Bo l t - a r r a ng e me nt a nd s i z e s of e nd - pl a t e s 矩为主。试验时连续加载至试件破坏 。 考虑端板布置的对称性， 仅选取螺栓群 中靠近 竖向形心轴的一列螺栓布置测点。在螺栓头上钻两 个直径为 3 5 mm 的对称 圆孔 ， 同时在螺栓杆上 开 弧形 凹槽 ， 在槽端无 螺纹 区粘贴两个对称的单 向应 变片， 将应变片的引线套上导管经过弧形凹槽引出， 导管用 5 0 2胶 固定在 凹槽 内， 如图 4所示。试验安 装时保持两个对称应变片的轴心连线水平。 图 3试 验 装 置 mm Fi g 3 Te s t e qui p m e nt 1 2 试 验结 果 A、 B组试件的破坏模 式为梁 受压翼缘 和腹板 局部屈 曲破坏 ， C、 D组试件的破坏模式为梁全截 面 屈服破坏 。各试件极限弯矩 Mo 见表 2 。 试件在特定荷载下的螺栓群受力分布如图 5所 示 。图 5中螺栓拉力 为设计预拉力 与轴力增量之 和， 轴力增量由实测螺栓轴向应变( 两个应变片的平 均测值) 求得 ， 螺栓位置为距螺栓群形心轴的距离。 图 4螺 栓 测 点 布 置 Fi g 4 La ndma r k a r r a ng e me nt f o r b o l t s 图 5中曲线 1 、 2 、 3 、 4分别代表试件梁根部截面弯矩 为 0 5 Mr 、 0 7 5 Mr 、 Mr 和 Mu 时 的荷载状态 。其 中 试件 A2 1 E M一 2和 B 2 5 E M 因梁段破坏的极限荷载 小于 M ， 故只有 l 、 2 、 4三条曲线。图 5中的竖直虚 线对应螺栓的设计预拉力。 表 2试件极 限弯矩 Mu ( k N m) Ta b 2 Ul t i ma t e mome nt M of s pe c i me n s 试件编号 极限弯矩 试件编号 极限弯矩 试件编号 极限弯矩 A1 1 EM 2 3 7 B2 1 EM 4 5 6 C3 5EM 4 0 2 A1 2 EM 2 4 3 B2 5EM 4 3 8 C3 6 EM 3 9 0 A2 1 EM 一 2 2 2 5 C3 2EM 3 9 4 D4 2 EM 8 9 6 A2 2 EM 2 3 4 C3 3 EM 4 1 0 D3 2 FM 91 0 假设螺栓群 中和轴投影点为图 5中靠近水平轴 的两侧螺栓力连线与螺栓设计预拉力线 的交点 。根 据试验结果， 可求得各荷载状态下 中和轴相对 于形 心轴的偏移量 ， 将此偏移量与螺栓群总高度一半 的 比值称为中和轴偏移率 ， 其 中正值表示中和轴向受 压区偏移 ， 负值表示 向受拉区偏 移。加载过程 中偏 移率的变化 曲线如图 6所示 ， M 为梁根部截面的弯 矩。部分试件的偏移 率值 见表 3 ， 表 3中 1 、 2 、 3 、 4 代表的荷载状态 同图 5 ， 以下各表皆同。 表 3 试验螺栓 群中和轴 偏移率 Ta b 3 Of f s e t r a t i o s o f ne u t r a l a xi s for t e s t b ol t s 荷载 试件编号 状态 A 卜 l E M A I 一 2 E M A 2 2 E M B 2 一 l E M C 3 2 E M C 3 5 E M D 4 2 E M D 3 2 F M l 0 7 l 8 6 9 6 5 2 2 1 8 1 8 4 3 8 5 1 3 2 l 8 1 2 7 0 4 6 一l 5 2 0 2 一l 6 6 4 1 0 一1 4 3 3 5 4 3 1 2 l 7 3 I 1 7 l 5 2 l 3 0 l 7 7 l 7 6 4 3 6 8 3 1 1 1 8 8 l 8 8 l 8 9 2 3 8 4 7 5 4 2 9 2 理论分析 2 1 计算模型 忽略端板在宽度方 向上 的弯 曲变形， 不计 端板 加劲肋的有利作用 以及梁腹板 的支承作用 ， 将端板 简化为平面连续梁 ， 该梁 的截面尺寸与材料性质均 与端板 相 同 ， 且 不 考 虑 螺 栓孔 对 截 面 的削 弱 。在 试 尊 一 露 一 端板抓劲肋 星 ， 维普资讯 4 8 建筑科学与工程 学报 2 0 0 5血 鲁 鲁 咖 一 蹬一 1 8 0 2 0 0 螺 栓 拉 力 k N 一1 _ 2 一 3- 4 f a 1 A1 - 1 E M 蟹 ( c ) A2 - 1 E M- 2 1 6 0 1 7 0 1 8 I 螺 栓拉 力 k N -I t-1 +2 + 3_ _ 4 ( e ) B2 1 E M 力 兰 3 ( g ) C3 - 2 EM ( i ) C3 - 5 EM B 0 2 7 0 31 0 3 5 a 螺 栓 拉 力 k N +1 + 2 - + 3_ _ 4 - ( k) D4 - 2 EM 。 0 2 3 1 螺 栓 拉 力 k N 一1 _ 2 _ 3 - 4 1 - 4 3 0 0 4 0 0 鲁 鲁 咖 一 蹬 一 ( b ) A1 - 2 EM ( d ) A2 - 2 EM =： =4 - 1 ( f ) B2 - 5 EM 篓 ( h ) C3 - 3 EM + + 3 _4 。 l ( j ) C 3 - 6 E M 抛2 7 0 31 0 35 ( 螺栓 拉 力 k N +1 + 2 - + 3 。 4 - ( 1 ) D3 - 2 F M 图 5 端 板 螺 栓 试 验 拉 力分 布 Fi g 5 Di s t r i bu t i o n o f t e s t b o l t pl i n g f o r c e for e n d - pl a t e 验中 ， 当端板螺栓达到极限状态时， 螺栓基本都处于 弹性阶段 ， 螺栓对端板的约束可近似为弹性支座 ， 假 设撬力的合力位于端板受拉 区边缘 ， 在该处设置刚 性链杆。将柱翼缘看作 刚性平面 ， 假设端板与柱翼 缘间不发生滑动摩擦 ， 可得端板连接的计算模型， 如 图 7所示。图 7中从左至右的弹性支座分别对应于 连接中从受拉 区到受压区的螺栓。不计试件梁端剪 1 1 0 A2 - 2 E M 0 n 一 6 0 4 02 0 0 2 0 4 0 6 0 偏移率 f a ) A组试件 2 ， 八 C3 5 EM 一 T 时， 板件刚度为 0 。因此 ， 受拉 区单个螺栓及其周围板件提供的刚度为 f Kb + ( 1 一T T ) K 0 TT K n n f ( 4 ) I K lrr p 受压区单个螺栓及其周围板件提供的刚度为 K b D c Kb + K。 ( 5 ) 端板形心处的螺栓及其周围板件提供的刚度亦 取式( 5 ) 。求 弹性支座的刚度 只需将 K 。 或 K b D c 乘 以相应位置的螺栓个数即可。 对受拉 区单个螺栓， T 记为 。拉力引起 连 接内力的变化如图 8所示 ， P 、 分别为螺栓 的设 计预拉力和板件间的初始压力。当外荷载为 T 时 ， 连接内力及变形见图 8 。螺栓和板件刚度分别为式 ( 6 ) 、 ( 7 ) Kb 一 Kb ( 6 ) r r K 一 ( 1 一 ) K ( 7 ) P 当荷载增加一微量成为 +T 后 ， 板件压力 和螺栓力的变化量分别为式( 8 ) 、 ( 9 ) AC=K。 A e ( 8 ) K b t Ae ( 9 ) 式 中： A e 为变形的增量 。 结合式 ( 6 ) ( 9 ) ， 可得 c一 P g p ( 1 一 ) ( 1 0 ) 又由平衡条件有 A PA T 一C， 代人式 ( 1 0 ) 可得 c一 则当外荷载为 T 时 ， 板件间压力的变化值可 由 对 A C的微分求积分得 r ， C I d C= = = + K K P )-n 1 1 此时螺栓轴力的实际增量为 P一 一 T - n 1 1 当板件间的压力刚好消失时 ， 有 CC 。 一P。和 T 一 ， 代人式( 1 3 ) 得 T 一讦 研 1 4 ) 一订 对端板连接的受拉区， 有 T 一 T ( 1 5 ) 2 2 计 算结 果 为检验模型能否反映对象 的性质， 以试件 A2 2 E M 为例， 取试件梁根部截面弯矩为 0 5 Mr 时对应 的 T进行 计算 ， 求 得连 续梁模型的支座反力如 图 9所示 。图 9中弹 簧 支座反力并不 代表真实一 的螺 栓 力， 但 可从 支 座 反力 的方 向定 性 地 考 察 模型的正确性。首先 ， 链 杆支座反力为压力， 与端 图 8拉力引起连接 内力的变化 板 连 接 中撬 力 为 压 力 的 F i g 8 C o n n e c t i o n i n n e r f o r c e 性质相符。弹簧支座 1 、 2 c h a n g e c a u s e d b y p u l l i n g f o r c e 的反力均 为拉 力 ， 弹簧 支 座 3 、 4的反 力 均为 压 力 ， 这 与受压区螺栓所受力的增量为压力的判定相符。因 此 ， 可 以判 断理论 模 型的相关假定 是适用 的。 与图 5相对照 ， 可分别计算梁根部截面弯矩 为 0 5 Mr 、 0 7 5 Mr 、 Mr 和 Mo时模 型上的跨间荷载及 弹簧刚度 ， 进而求得 弹性支座的位移 W。由式 ( 1 6 ) 维普资讯 5 0 建筑科学与工程 学报 2 0 0 5生 图 9 计算模型反力 k N Fi g 9 Su pp o r t f o r c e o f c a l c u l at i o n mo de l 将 叫换算为螺栓的轴力值 Nb 一 o uEAb + P。 ( 1 6 ) L b 式中： A 为按螺栓公称直径计算得到的截面积 。 选取每组中的典型试件进行理论计算 ， 得螺栓 拉力分布如图 1 0所示( 图 1 0中 1 、 2 、 3 、 4代表的荷 载状 态 同图 5 ) 。 由理论模型求得的中和轴偏移率 见表 4 。根据 本模型， 同组试件中端板厚度 的少量变化引起中和 轴位置的变化不大 ， 故取同组内的平均值 。 受拉区螺栓力理论值与试验值之 比见表 5 ， 表 5中 B 1 、 B 2分别代表受拉翼缘外侧 、 内侧螺栓 。 表 4 理论螺栓群 中和轴偏移率 Tab 4 Of f s e t r a t i o s o f ne ut r a l a x i s f o r t h e o r e t i c a l bo l t s 试件组别 荷 载状态 A B C D 1 3 3 2 2 3 2 1 1 2 8 8 9 3 8 2 7 9 3 1 5 4 1 8 0 1 4 2 1 6 0 4 1 6 5 1 9 2 1 9 8 3 2 8 表 5 受拉 区螺栓 力理论值与试验值之 比 Tab 5 Ra t i o of t h e o r e t i c al b ol t f o r c e t o t e s t bo l t f o r c e i n t e ns i on z o ne A1 1 EM A2 2 EM B2 1 EM C3 2 EM C3 3 EM D4 2 EM 荷载状态 B1 B2 B1 B2 B1 B2 B1 B2 B1 B2 B1 B2 1 1 00 1 09 0 99 1 07 1 0 6 1 0 7 1 06 1 0 9 1 0 7 1 11 1 O 8 1 O9 2 0 9 9 1 1 4 0 99 1 1 3 1 11 1 1 3 1 0 4 1 11 1 1 2 1 2 2 1 1 3 1 1 5 3 0 9 8 1 0 8 1 01 1 07 1 1 4 1 1 8 1 0 0 1 O 3 1 1 7 1 3 2 1 1 8 1 1 5 4 0 9 8 1 0 7 1 01 1 O6 1 1 3 1 1 7 0 97 0 9 9 1 1 8 1 2 8 1 21 1 0 8 2 4 0 1 8 0 1 2 0 量 6 0 骂 。 - 6 0 馨 一 1 2 0 1 8 0 2 4 0 2 4 0 1 8 0 1 2 0 量 6 0 骂 。 一 6 0 馨 一 1 2 0 1 8 0 2 4 0 1 2 0 1 4 0 1 8 0 2 0 0 2 2 13 螺 栓 拉 力 k N 卜 1 _ - 2 _3 4 28 0 3 2 0 3 6 ( 螺栓 拉 力 k N 卜1 _ -2 _3 r -4 3 结果分析 2 4 0 1 8 0 1 2 0 6 0 骂 。 - 6 0 馨 一 1 2 0 1 8 0 2 4 0 2 4 0 1 8 0 口 1 2 0 0 0 一 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 。 1 8 0 2 0 0 2 2 q 螺栓 拉 力 k N 卜1 _ - 2 _3 一4 1 6 0 2 0 0 2 8 0 3 2 0 3 6 ( 螺 栓拉 力 k N 卜1 _ - 2 _3 4 4 0 0 3 0 0 2 0 0 点1 0 0 骂 。 一 1 0 0 馨 一 2 0 0 3 0 0 4 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 g 1 0 0 骂 。 一 1 0 0 馨 一 2 0 0 3 0 0 4 0 0 1 2 0 1 8 0 2 1 ( 螺栓 拉 力 k N 卜1 _ -2 _3 4 。 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 C 螺栓 拉 力 k N 卜1 _2 _3 一4 图 1 0 端板螺栓理论拉 力分布 Fi g 10 Di s t r i b ut i o n o f t he o r e t i c a l bo l t p ul l i ng f o r c e fo r e n d - pl at e 3 1 中和轴 位置 由图 5 、 1 0可以看出： 试验曲线与理论曲线形态 相近， 两组 曲线所反映出的螺栓群 中和轴变化规律 较吻合。加载初期 中和轴基本与形心轴重合 ， 随着 ( f ) D4 - 2 EM 荷载加大 ， 受拉 区被压紧板件逐渐拉松 ， 螺栓力有较 大增长 ， 相应的中和轴 向受压 区有较 明显偏移 ， 但始 终不超过受压翼缘 内侧螺栓中心线。增加端板厚度 和设置端板加劲肋在一定程度上减小了螺栓力增量。 不考 虑加 载初 期试 验 数据 的波 动 ， 由图 6 可 见 ： A组试件在荷载水平较低 的情况下 ， 中和轴 即开始 维普资讯 第 3 期 王素芳， 等 ： 端板连接 高强度螺栓群 中和轴位置研究 5 l 向受压 区偏 移 ， 达到 0 7 5 M 以后偏 移 速 度加 快 ； 而 其余 3组试件均在荷载达 到 0 7 5 M 以后， 中和轴 才开始明显 向受压区偏移 。造成这种现象的主要原 因是 ： 螺栓在终拧结束后 ， A组试件受拉区螺栓的实 际预拉力普遍小于设计预拉力， 差幅范 围为 7 2 7 ， 差幅平均值达 到 l 8 ， 而其余 3组试件的实 际预拉力与设计预拉力较吻合。因此， 可以认为荷 载小于 0 7 5 M 时 ， 螺栓群 中和轴与形心轴重合 ， 对 照表 3 、 4的数据 ， 这种假定是较合理的。 之后 ， 中和轴开始向受压区偏移 。当荷载达 到 Mr 时， 由表 3求 出 B、 C 、 D组试件中和轴偏移率 的 平均值为 l 5 4 ， 而由理论计算求 出 4组试件 的平 均偏移 率 为 1 5 9 。因此 ， 可 以假 定荷 载为 M 时 ， 中和轴向受压 区的偏 移率 为 1 5 ， 此种假定 对 于 B 、 C组试验曲线 中螺栓群中和轴上移的情况也是偏 于安全的。需要注意的是， 此处 Mr 是按照 中和轴 与形心轴重合的假定求得的， 仅作为区别荷载状态的 参数， 并不影响分析与计算。另外需要说明的是， 图 6反映出在试验加载过程中， 中和轴普遍有偏至受拉 区的情况 ， 而这种情况在理论分析 中暂未 出现 ， 造成 这种现象的直接原 因是加载初期受拉区翼缘内侧螺 栓力的增量较小 ， 间接原因可能有 ： 各螺栓终拧力 分布不太均匀； 螺栓测点仅布置在端板一侧 ， 所测 数据并不能完全反映螺栓受力情况 ； 对有些试件， 加载点存在沿梁截面宽度方向的偏心现象。 在极限荷载下 ， 中和轴继续下移， 且始终不超过 受压翼缘 内侧螺栓中心线。由于 A、 B 、 C、 D组中不 同试件对应的极限荷载值不同， 其 中和轴偏移率较 离散 ， 无法给出统一的数值。 3 2螺栓 受力分 布 试验加载初期 ， 受拉 区翼缘外侧螺栓力有小于 、 等于或大于内侧螺栓力的情况 ， 随着荷载增加 ， 除个 别试件外 ， 翼缘内侧 螺栓力逐渐增大并超过外侧 螺 栓力 ； 受压区翼缘内侧螺栓力基本小于外侧螺栓力 ， 即前 者所 受压 力增量 大 于后者 。理 论模 型所 反映 的 螺栓力分布形态与试验结果较为一致 ， 只是翼缘外 侧螺栓力始终小于 内侧螺栓力。 造成以上差异的部分原因是： 翼缘外侧螺栓数量 多于内侧螺栓数量， 相应连续梁模型中弹簧支座的刚 度较大， 由此模型算得的翼缘外侧螺栓力便小于内侧 螺栓力 。而在试验中， 应变测点布置在靠近梁腹板的 一 列螺栓上， 对于翼缘外侧螺栓， 靠近腹板的螺栓力 大于远离腹板的螺栓力， 故 出现在加载初期翼缘外侧 螺栓力大于内侧螺栓力的情况。随着荷载增加， 外侧 螺栓力渐趋均匀 ， 且梁腹板对内侧螺栓的支承作用加 大 ， 该处螺栓力逐渐增大并超过外侧螺栓力。 端板厚度对 A组试件试验曲线无明显影 响； 对 C组试件， 增加端板厚度或设置端板加劲肋以后 ， 在 相 同荷载水平下受拉区螺栓力有所 降低 ， 同时延缓 中和轴 向受压区的偏移 。在理论计算 中， 增加端板 厚度 ， A、 C组试件 受拉、 压 区螺 栓力增量均有所下 降， 相对于螺栓力绝对值 ， 降幅在 4 以内， 可忽略 不计。C组试件试验与理论结果不太相符的原因可 能是在试验 中柱翼缘厚度 ( 2 5 mm) 与端板厚度接近 或相等， 二者在外力作用下均发生弯曲变形 ， 导致连 接两板件的螺栓变形较小， 而理论分析时假定柱翼 缘为刚性平面 ， 外力作用下仅端板产生弯曲变形 ， 相 应的螺栓变形较 大从而使螺栓 力较大。极 限状态 下 ， 多数试件受拉 区翼缘 内侧螺栓力大于外侧螺栓 力 ， 但其相对差值较小。这可以从 图 1 1看出， 图 1 1 中 N N 分别代表极 限状态下受拉翼缘 内、 外侧 螺栓力的试验值 。 A组试 件 ： B 组 试 件 C组试 件 ：D组 试件 _ ： _ ： _ _ ： 。 ! ： _ _ ， ： _ 维普资讯 5 2 建筑科学与_T - 程学报 2 0 0 5血 过此区域传递给端板 ， 在连续梁模型中， 未考虑此区 域梁刚度的增大 ， 故螺栓力比实际偏大。 4 参数分析 4 1 链 杆 刚度 与位 置 4 1 1 链杆 刚度 在第 2 1 节模型 中， 用设置 刚性链杆 的方式模 拟端板撬力， 由于实际的端板和柱翼缘并非刚性 ， 这 种模拟方法将导致较大的撬力值。如果用弹簧支座 代替刚性链杆会更接近实际， 但是 目前没有可供参 考的等效刚度计算方法 ， 在此改刚性链杆为 弹性支 座， 对其刚度 K。予 以变 化， 观察其对撬 力、 螺栓力 和中和轴的影响。 以试件 A2 2 E M 为例， 取荷载为 M 时进行计 算 ， 得撬力、 受拉区螺栓力和中和轴偏移率 随 l g K。 的变 化 曲线 ， 如 图 1 2所 示 ， K。 ( N 1T I 1T I ) 。图 1 2 ( a ) 包 含两 条 曲线， 分 别 代 表 端板 厚 度为 1 6 、 2 0 1 T I 1T I 的两 种 情 况 ； 图 1 2 ( b ) 中， 曲线 B 1 、 B 2分别 代表受拉翼缘 外 侧和内侧螺栓。 由 图1 2 可 以 看 出 ： 不 受 端 板 厚 度 影 响， 当 K。介 于1 0 1 0 N mm 之 间 时 ， 几 乎 涵 盖 了 所有可 能出现 的 撬力 值； K。小于 或大 于此区间值 可分 别 归 为 柔 性 和 刚 性 。所 以 对 于一般 的端板连 1 1 2 4 。 0 Z 1 0 0 耋 8。0 2 4 。 0 0 0 3 6 9 1 2 1 g 。 ( a ) 链杆刚度对撬力的影响 1 g ( b ) 链杆刚度对螺栓拉力的影响 l g 。 ( c ) 链杆刚度对 中和轴偏移率的影响 图 l 2 链杆 刚度影响 Fi g 1 2 Ef f e c t of s u pp or t r i g i d i t y 接， 链杆刚度取值应在 1 0 1 0 N mm 之问， 端板 很厚时可取小于 1 0 N mm 的值。链杆刚度增大使 翼缘外侧螺栓力增 大， 内侧螺栓力减小 ， 同时使中和 轴偏移率降低 ， 可见撬力的影响不可忽略。 4 1 2 链 杆 位置 在实际连接 中， 只有端板很厚时， 撬力才位于端 板边缘 ， 多数情况下撬力是一种介于螺栓 和端板边 缘之间的分布力 。CHAS TE N等 4 建议对厚 度为 2 0 、 2 5 1 T I 1T I 的端 板， 撬力 合力 与螺栓 中心线之间的 距离取为 0 6 a ， 其中 a为螺栓 中心线与端板边缘的 距离。以试件 A2 2 E M 为例， 将图 7中左边跨跨度 L 在 0 6 a a之间取值， 仍采用刚性链杆 ， 取 Mr 对 应 的荷载状态 ， 得出链 杆相对位置变化对链杆反力 和受拉区螺栓力的影响， 如 图 1 3所示， 图 1 3中曲线 意义 同 图 1 2 。 由图 1 3可见 ： 随着链杆远离螺栓， 撬力减小 ， 变 化端板厚度 ， 亦有此结果。随着撬力减小 ， 与其毗邻 的外侧螺栓力也有所减小 ， 内侧螺栓力变化不大。 1 O O 5 O O 9 5 9 0 8 5 0 L， a L a ( a ) 链杆位置对撬力的影响 ( b ) 链杆位置对螺栓拉力的影响 图 l 3链杆位置影响 Fi g 1 3 Ef f e c t of s u pp or t l oc a t i o n 4 2螺 栓排 列 图 1 ( e ) 中每个翼缘周围采用两行两列形式 的 螺栓排列在实际工程 中最为常见， 笔者在此称其为 2 2式排列 ， 作为对试验 的补充， 采用理论模 型对 这种排列进 行计算 。计算对 象系将 试件 A2 2 E M 和 D 4 2 E M 进行适当修改而来， 首先将两试件中位 于端板边缘的两列螺栓 除去 ， 再将端板宽度分别减 小为 2 0 0 、 2 2 0 1T I 1 T I 。将这两个新连接试件分别称为 A4和 D 4 ， 按照 图 1 ( a ) 分布， 其螺栓群设计 承载弯 矩分别为 1 2 9 、 3 8 8 k N 1 T I 。 仍用端板边缘设 置刚性链杆来模拟撬力， 取弯 矩为0 5 Mr 、 0 7 5 M 和 M 3个荷载状态进行计算 ， 分别用图 1 4中曲线 1 、 2 、 3表示 ， 得 出螺栓力 的分 布 ， 如图 1 4( a ) 、 ( b ) 所示 。图 1 4( a ) 、 ( b ) 与 图 1 0 ( b ) 、 ( f ) 相比可见 ： 这种新螺栓排列下螺栓力分布的 明显变化是受拉翼缘外侧螺栓力大 于内侧螺栓力 。 在 3 个荷载状态下 ， A4和 D 4的中和轴偏移率分别 为2 4 、 6 9 、 1 2 1 和 一0 0 3 、 5 9 、 1 2 9 ， 与表 4相比稍有降低 ， 但仍符合前述规律。 取链杆刚度 K。 一0再进行计算 ， A4和 D 4的螺 栓力分布分别见 图 1 4 ( c ) 、 ( d ) ， 可发现翼缘外侧螺 栓力又恢复到小于内侧的状态。可见 ， 在 2 2式的 螺栓排列下， 造成翼 缘外侧螺栓力较大的主要原 因 维普资讯 第 3期 王素芳， 等 ： 端板连接高强度螺栓群 中和轴位置研 究 5 3 是： 用刚性链杆所模拟 的较大撬力的存在 。如果选 择与实际相符的链杆 刚度正确模拟撬力， 则外侧螺 栓力可能呈现大于、 等于或小于内侧螺栓力的分布。 。 。1 。 +一2 。 一 1 _r 6 0 1 7 5 1 9 ( 螺 栓 拉力 k N f a ) A 4 ( K o = o 。 。 。1 - +一2 - 1 0 1 7 5 1 9 ( 螺栓 拉 力 k N _ _1 - 一2 - 3 2 4 0 29 ( 螺栓 拉 力 k N - f b ) D 4 ( K o = o 。 _ _1 -0 - -2 - 3 2 4 0 2 9 I 螺 栓 拉力 k N ( c ) A 4 ( K o = 0 ) ( d ) D 4 ( K o = 0 ) 图 1 4 2 2式 螺 栓 排 列 的端 板 螺 栓 拉 力分 布 Fi g 1 4 Di s t r i b u t i on of b o l t p ul l i ng f o r c e i n 2 2 a r r a ng e d e n d - p l a t e 4 3端板 厚度 与螺栓 直径 端板 与螺栓 的相对 刚度对连接性能将产生影 响。以试件 A2 2 E M 和 A4为例 ， 变化端板厚度 和 螺栓直径 ， 得出在荷载为 Mr 时 中和轴与受拉翼缘 外侧螺栓力的变化曲线 ， 如图 1 5 所示 ， 图1 5中 M2 0 和 M2 4分别代表该曲线所采用的螺栓规格。 擗 浍 堡 暴 足 哥 端板厚度 mm f a ) 试 验螺 栓 排