（水工结构工程专业论文）钢结构端板连接设计方法的研究.pdf

摘要 由于端板连接构造复杂，目前还没有一种准确的、被广泛认可的强度和刚度计算 方法，按照现行规范方法做出的设计偏于保守，造成了一定的材料浪费。 本文运用有限元软件a n s y s 对大量节点进行了模拟分析，研究了节点受力、变 形的规律，提出了改进的强度和刚度的计算理论，并总结出一套系统的节点设计方法。 共分4 部分进行了论述： 1 、绪论：概述端板连接的构造、分类、特点及应用现状等。 2 、端板连接的强度研究：首先，分析了节点整体的受力特点，认为节点承担的 主要荷载是弯矩，螺栓的强度是节点整体强度的主要影响因素。其次，分析了螺栓的 受力状态，提出了不同位嚣螺栓的拉力分配模型，给出了螺栓强度的计算公式。最后， 依次分析了端板、节点域的受力特点，给出了端板、节点域板件尺寸的计算公式， 3 、端板连接的刚度研究：首先，叙述了节点的半刚性对结构的重要影响。说明 对节点刚度进行深入研究的必要性。其次，分析了各因素对节点转动刚度的影响规律， 发现端板厚度、柱腹板厚度对节点刚度的影响最敏感。最后，提出了刚度的简化模型 及简单可行的计算公式。 4 、本文建议的端扳连接设计方法：提出了系统的端板连接设计方法，并引用某 工程实例对该设计方法进行了验证，说明本文提出的理论和方法是准确可靠的。 关键词：端板连接、强度、转动翘度、半剐性、节点域、加劲肋 a b s t r a c t b e c a u s et h ec o n s t i t u t i o no f e n d - p l a t ec o n n e c t i o n si sc o m p l e x ，t h e r ei sn om e t h o dt h a t c a i lc a l c u l a t ei n t e 帆s i t ya n ds t i f f n e s se x a c t l ya n dw i i l e l yn o w i ti ss oc o n s e r v a t i v et od e s i g n a sc u r r e n tw a y st h a ti tc a nw a s t em a t e r i a l s n l em o d e la n a l y s i so fm a n yn o d e si ss t u d i e du s i n ga n s y sp r o g r a mi nt h i s d i s s e r t a t i o n b yt h ea n a l y s i st h ew o r ki sd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d i n gt h er e g u l a r i t yo f n o d e s s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t ，i m p r o v i n gt h em e t h o dt oc a l c u l a t ei n t e n s i t ya n ds t i f i n e s s a n ds u m m a r i z i n gan 州w a yt od e s i g nn o d e s t h e r ea r ef o l l rp a r t s ： 1 i n t r o d u c t i o n ：g e n e r a l i z i n gt h ec o n s t i t u t i o n c l a s s i f i c a t i o n , f e a t u r ea n da c t u a l i t ya b o u t e n d - p l a t e 2 r e s e a r c ho nt h ei n t e n s i t yo fe n d - p l a t ec o n n e c t i o n s ：f i r s t , b ya n a l y z i n gt h eb e a r i n g f e a t u r eo ft h ew h o l ec o n n e c t i o n s 也ec o n c l u s i o nt h a tt h em o m e n ti st h ep r i n c i p a ll o a dt o n o d e sa n dt h ei n t e n s i t yo f b o l t sa r et h ep r i n c i p a lf a c t o r sa f f e c t i n gw h o l es t r e n g t hi so b t a i n e d ； s e c o n d ，t h ea l l o c a t i o nm o d e lo ft h eb o l t si nd i f f e r e n ta r e a sa n dt h ec a l c u l a t i o nf o r l n u l a eo f b o l t s s t r e n g t ha r ep r e s e n t e d ；f i n a l l y , t h ef o r m u l a et h a tc a l c u l a t et h es i z eo fe n d - p l a t ea n d p a n e lz o n ea r eg i v e i la f t e ra n a l y z i n gt h eb e a r i n gf e a t u r ea b o u tt h e m 3 r e s e a r c ho nt h es t i f i n e s so fe n d p l a t ec o n n e c t i o n s ：t h es e m i - r i 西d i t yo fc o n n e c t i o n s h a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c ei ns t r u c t u r e s oi ti sn e c e s s a r yt oc a yt h r o u g hf u r t h e rr e s e a r c h o nr o t a t i o ns t i f i n e s s i na d d i t i o n i ti sf o u n dt h a tt h et h i c k n e s so fe n d p l a t ea n dc o l u m n w e b i sm o s ts e n s i t i v et os t i f f n e s sa f t e ra n a l y z i n gt h ei n f l u e n c er e g u l a r i t yo fv a r i o u sf a c t o r so n t h es t i f i n e s so f c o n n e c t i o n s t h es i m p l em o d e la n df o r m u l aa r eg i v e i li nt h ee n do f t h i sp a r t 4 d e s i g nm e t h o d so fe n d - p l a t ec o n n e c t i o n ss u g g e s t e db yt h i sd i s s e r t a t i o n ：t h e m e t h o d sd e s i g n i n ge n d p l a t ec o n n e c t i o n sa r ep u tf o r w a r d t h e ni ti sp r o v e dt h a tt h et h e o r y a n dm e t h o dg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa c c u r a t ea n dc r e d i b l eb yp r o v i n gt h ed e s i g n m e t h o d sp r e a m b l ew i t hac a s eh i s t o r y k e yw o r d s ：e n d - p l a t ec o n n e c t i o n s ，s t r e n g t h , r o t a t i o ns t i f f i a e s s ，s e m i - r i g i d i t y , p a n e lz o n e ，r i b s t i f f e n e r s 学位论文独创性声明： 本人所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 雌 2 0 0 7 年3 月 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年3 月 第一章绪论 1 1 端板连接的概念 1 1 1 端板连接的基本构造 第一章绪论 端板连接又称端板螺栓连接，是钢结构中常用的构件连接方式。它是在连接构件 的端部截面上焊接一块端板，并用螺栓将其与另一连接构件的翼缘或端板相连的一种 形式，主要由端板、螺栓、端板加劲肋、节点域柱翼缘和柱腹板等部分组成，如图1 1 所示。 1 一柱翼缘：2 一节点域加厚柱翼缘；3 一端板；4 一螺栓： 5 一端板加劲肋：6 一柱腹板加劲肋；7 一节点域柱腹板 图卜l 端板连接的基本构造 螺栓( b o l t s ) 将端板与柱翼缘( 或另一构件的端板) 连接在一起，般采用高强 度螺栓。螺栓是节点构造的关键部分，螺栓的受力状态及承载能力是节点强度的决定 因素。 端板( e n d - p l a t e ) 是指构件端部焊接的钢板，材质可采用与梁柱相同的钢板，厚 度一股不小于梁柱翼缘厚度，形状可以根据构件端部截面的尺寸选取。端板是节点构 造的重要部分，对节点的强度和刚度都有很大影响。 河海大学硕士论文 端板加劲肋( e n d - p l a t er i bs t i f f e n e r s ) 是在端板外伸部分补焊的一块三角形钢板， 端板加劲肋能够增加端板的刚度，对整个的节点的承载能力也有很大的影响。 节点域柱翼缘( p a n e lz o n ec o l u m n - f l a n g e s ) 通过螺栓与端板连接在一起，并将作 用力传递给节点域柱腹板( p a n e lz o n ec o l u m n - w e b ) ，为了减少柱翼缘的变形往往增设 柱腹板加劲肋( c o l u m n w e br i bs t i f f e n e r s ) 将柱翼缘与柱腹板连接起来。为了简便起见， 本文将节点域柱翼缘、节点域柱腹板、柱腹板加劲肋合称为节点域( p a n e lz o n e ) 。 一般在工厂内预先将节点域焊成一体，将梁、端板及加劲肋焊成一体，施工现场 将两者用螺栓连接起来。 1 1 2 端板连接的分类 端板连接有很多不同的种类，通常可以从以下几个方面进行分类： 1 、按所连接的构件 端板连接所连接的构件主要有两类，类是梁柱拼接，如图1 1 a 所示，另一类是 梁梁拼接，如图1 1 b 所示。 其中，梁梁拼接中两侧都是端板，构造相对简单，而梁柱拼接包括节点域，构造 相对复杂，其受力状态也具有代表性，因此本文以梁柱拼接的端板连接为研究对象， 得出的结论也适用于梁梁拼接节点。 2 、按端板构造型式 按端板构造型式，端板连接可分外伸式( 图1 - 2 a 、b ) 、平齐式( 图1 - 2 c ) 和内缩式( 图 1 - 2 0 - - 类。其中，外伸式又可分为两端外伸式( 图1 - 2 a ) 和一端外伸式( 图1 - 2 b ) 两种， 前者主要适用于循环弯矩，而后者适用于单向受弯 1 4 j 。 ( a )( b )( c )( d ) 图1 - 2 蛸板的构造型式 平齐式和内缩式端板连接往往是在空问尺寸受到限制时采用，其承载能力和刚度 第一章绪论 相对都很小，而外伸式端板连接以刚度大、承载力高而广为采用，故本文重点讨论外 伸式端板连接。 此外，外伸式端板连接还可以根据端板外伸部位是否设置加劲肋加以区分，如图 1 _ 3 所示。 ( a ) 未设置加劲肋的端板( b ) 设置加劲肋的端板 图l - 3 端板外伸部位的构造 3 、按端板放置方式 框架结构中端板的放置方式通常可分为端板平放、端板竖放、端板斜放三种形式 【2 2 1 ，如图1 4 所示。 ( 8 ) 竖放式 ( b ) 横放式( c ) 斜放式 图i - 4 端板的放置方式 已有的研究成果表明，在三种放置方式中竖放式端板连接受力性能最好( 2 6 】，而且 其应用也最普遍，故本文不再探讨横放式及斜放式节点，仅研究竖放式节点。 1 1 3 端板连接的特点 传统的钢结构节点有刚接、铰接两种，而端板连接是介于两者之间的新型节点， 其剐度属性为半刚性。与传统的钢结构连接方式相比，端板连接有如下优点： 河海大学硕士论文 l 、施工快捷，质量稳定。 端板连接的全部焊接工作在工厂预先完成，现场施工中只需进行螺栓安装，不需 要焊接，所以施工方便、快捷，而且不受季节影响。工厂内的焊接条件远远优于施工 现场，因此焊接的质量就得到了保证。此外，螺栓的安装工艺比较简单，一般施工人 员都能够很好的掌握施工要领，故而现场施工质量也容易得到保障。 2 、承载性能好。 传统的刚接节点对框架有较大的转动约束，梁的跨中弯矩较小，结构的荷载分布 合理1 。但刚接的构造复杂，而且多是采用全焊接连接，由于焊接缺陷，容易引起节 点脆性破坏，施工难度大质量不易保证。传统铰接的构造简单，但由于刚度小，对梁 的转动约束小，使梁的跨中弯矩较大，此外，还能导致结构的抗侧移刚度较小，对结 构抗风、抗震不利。端板连接的性能介于两者之间，兼有两者的优点，一方面可以降 低梁跨中弯矩，提高结构的侧向刚度，另一方面构造简单，是一种综合性能较好的连 接方式。 3 、抗震性能好。 在1 9 9 4 年美国的n o r t h r i d e 地震中，有2 0 0 多个钢框架因梁柱焊接节点脆断而破 坏，而采用端板连接的结构的破坏程度明显轻微【5 9 1 ；1 9 9 5 年的日本阪神地震中的破 坏也有类似的现象1 6 0 l 。这两次地震充分的说明端板连接具有良好的抗震性能瞄9 1 6 0 l 。 对于抗震结构，我们必须保证其连接节点具有良好的延性和耗能能力，这样可以 增加结构的阻尼，延长周期，减小振幅，从而大大降低震害。根据已有的试验，多数 端板连接节点都可以产生较大的转角而不破坏，说明端板连接具有良好的延性和耗能 能力，可以应用于多层抗震钢框架, g t 3 0 1 。 4 、经济。 国内外大量研究和实践表明，在一般的钢结构的抗弯连接中，端板连接较为经济。 从用钢量方面看，它比通常的腹板翼缘连接节省材料和紧固件2 1 。从施工方面看，现 场施工条件的要求不高，所使用的工具也简单且质量容易得到保证，节约了施工成本。 当然，端板连接也有定的缺点，例如，在工厂中的加工工艺比较复杂，此外因 螺栓安装的需要，组件加工的精度要求也较高。但是，总体而言端板连接具有优越的 性能，已经得到了越来越广泛的重视和应用。 1 1 4 端板连接在水工结构中的应用前景 4 第一章绪论 端板连接的研究和应用尚处于发展当中，但是其突出的优点越来越引起人们的重 视。目前，我国端板连接主要应用于工业与民用建筑钢结构，其中在单层门式剐架结 构中的应用己比较普遍【1 4 】。 水工结构往往位于远离市区的野外环境，旌工条件差，结构的工作环境恶劣。而 端板连接由于不需复杂的施工条件，具有良好的环境适应能力，所以在这一领域有良 好的应用前景。此外，突出的抗震性能，也有利于水工结构的安全，故而我们应当完 善设计理论，使其在水工钢结构中充分发挥作用。 1 2 端板连接的研究现状 端板连接的构造具有一定的复杂性，研究有相当的难度，提出简单而准确的设计 方法也不是一件容易的事情。端板连接中有许多细部的受力特征，例如端板接触面压 力的大小和分布、螺栓的实际受力状态等，在现有的试验条件下很难测得，很多研究 分析是借助有限元软件进行的。总体上讲，目前国内外对端板连接的研究还不够深入， 理论上有很多不完善的地方。 1 2 1 端板连接的相关规范 我国的“老规范”钢结构设计规范( g b j1 7 8 8 ) 中没有半刚性的概念， 在修订后的钢结构设计规范( g b5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) 中对半刚性有了一些规定，但也只 是提出：梁与柱的半刚性连接只具有有限的转动刚度，在承受弯矩的同时会产生相应 的交角变化，在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩一转角( m o ) 特性曲线，以 便考虑连接变形的影响，并没有给出半刚性连接的具体设计方法【4 3 】【6 】。 我国对于端板连接的设计方法，唯一可依据的是门式刚架轻型房屋钢结构技术 规程( c e c s l 0 2 ：2 0 0 2 ) ，但是该规程仍然把端板连接作为刚性连接或铰接进行设计， 只计算强度而不计算刚度。而且，该规程主要是针对单层轻型门式刚架结构，是不能 直接应用到到多层框架结构的。因此，可以说我国还没有半刚性连接的设计规范，也 没有完整的端板连接设计规范【4 l 。 近十几年来，多层钢框架和门式刚架轻型房屋钢结构在我国广泛应用，端板连接 也随之在工程中大量采用。但是，由于面临着规范缺乏的局面，尤其是多层钢框架结 构中的端板连接无规范可依，这大大阻碍了它的推广和应用，使其优势得不到充分发 挥。况且，忽略端板连接所具有的柔性，仍一律按剐性连接进行计算，必然会造成一 河海大学硕士论文 定的偏差甚至是安全隐患。因此，深入分析钢框架结构端板连接的强度和刚度，并提 出相应的设计对策已非常迫切和必要。 国外的情况也不容乐观，目前，在规范中对端板连接作出详细设计规定的国家寥 寥无几，仅有美国( a i s c ) 、英国、澳大利亚等【4 l ，虽然有较为明确的规范，但是在应 用中仍然存在的许多问题，但是还没有形成一个完整的、被广泛认可的系统理论。因 此，我们不能照搬国外的规范，必须根据我国的材料供应状况、具体的工程特点等对 设计中存在的问题进行严谨务实的研究。尤其是水工钢结构与民用建筑钢结构存在较 大的差异，更应当根据其具体特点进行系统全面的分析。 1 2 2 端板连接应用中存在的问题 目前，端板连接的设计与应用中主要存在如下问题： 一、螺栓拉力分配模型问题 按照我国现行规范规定，端板连接作为刚性连接进行计掣1 8 】。假设端板绕中心轴 线发生平面转动，螺栓的受力分布如图1 5 所示。那么受拉区最外一排螺栓承受拉力 最大。但是，很多试验和有限元分析都说明，这种假设中的端板转动中心和最大受拉 螺栓都与实际情况有较大差距，第二排螺栓( 受拉翼缘内侧的螺栓) 承受的拉力往往 接近甚至超过第一排螺栓，而且端板转动中心在受压翼缘中心线处【2 6 1 ，如图1 - 6 所示。 图1 - 5 我国现行规范高强螺栓受力计算模型图l - 6 某试验中螺栓拉力分布图 由此可见，我们尚需要寻找更符合实际情况的拉力分配模型。而实际上，螺栓拉 力的分布状态会受到很多因素的影响，例如节点构造连接形式、端扳厚度、端板加劲 肋等，现有的单一的模型很难涵盖所有情况。现行端板连接节点计算方法中没有考虑 上述因素对节点承载力的影响，这显然会导致计算不准确删。 例如，设置端板加劲肋可以增大端板刚度、提高节点承载能力，还可以起到平衡 翼缘两侧螺栓拉力等作用。如果忽略了端板加劲肋的增强作用，节点承载能力计算结 6 口沙 第一章绪论 果偏于保守。从安全角度考虑这当然是有利的，但很多试验证明，按照现行规范所做 的设计安全系数过大，造成了材料的浪判2 2 1 。此外，如果我们不考虑因端板刚度的增 大而导致的螺栓拉力分布状态的改变，仍然按照原先的分布状态计算螺栓拉力，将会 导致计算结果不准确，甚至影响到结构的安全。 因此，我们必须对这些因素对节点性能尤其是螺栓拉力分布规律的影响做深入的 研究和分析，确定符合工程实际的拉力分配模型。 二、刚度的取值问题 在进行钢框架的设计中，为了保证框架的刚度，避免结构因节点刚度不足而产生 过大的挠度和变形，我们必须能够准确推算节点的转动刚度。现有规范没有给出确定 节点刚度的方法，也没有制定判断节点刚度分类的标准，端板连接被作为刚接节点进 行设计和计算，但是实际构造可能达不到刚性连接的要求，这就使设计成果中可能存 在不安全因素【。 为此，当前有关端板连接刚度研究的目标主要是，寻求一种简单而准确的表达式 来描述半刚性端板连接的弯矩转角( m 0 ) 特性、计算出节点的实际转动刚度的大小。 已经有许多研究者提出了相关的理论并给出了数学模型，但有的过于复杂，有的准确 性不佳，还没有一种成熟的理论。 1 3 本文研究的主要内容 本文旨在提出一个系统的、可行的水工钢结构端板连接的设计方法。根据上节所 提到的设计与应用中存在的问题，本文需要重点解决以下两个问题： l 、提出合理的螺栓受力计算模型； 2 、提出简单而准确的节点刚度计算模型。 为了完成上述研究任务，本文将采用有限元软件a n s y s 对节点进行模拟，结合 有限元计算结果和已有理论，提出新的设计方案。 河海大学硕士论文 第二章端板连接的强度研究 2 1 节点整体强度概述 2 1 1 节点的受力分析 粱柱拼接端板连接所承担的作用力主要来自于梁部的竖向荷载，作用于节点上主 要表现为弯矩m 和剪力v t ，如图2 1 1 所示。 图2 卜1 端板连接节点受力示意图 剪力v 可以由螺栓来承担，一般的框架结构中，抗剪计算方法比较明确，抗剪要 求也比较容易得到满足。当剪力较大时可以在端板下设置托板辅助抗剪，如图2 1 1 所示。 弯矩m 是造成节点破坏的主要作用力，在弯矩作用下节点的传力路径可以通过 有限元分析结构体现出来，图2 1 2 4 是a n s y s 得出的不同构造类型节点的主应力 流，包括节点整体的应力分布图和端板上的应力分布图。 由主应力流可以明显的看出，无论是否设置端板加劲肋或柱腹板加劲肋，节点上 的应力分布状况是大致相同的，即上部是一拉力，由梁上翼缘通过焊缝传递给端板， 尔后由端板通过螺栓传递给柱翼缘；下部是一压力，由梁卞翼缘传递给端板，尔后由 端板通过接触压力传递给柱翼缘。 第二章端板连接的强度研究 图2 1 _ 2 设置端板加劲肋和柱腹板加劲肋的主应力流 图2 1 - 3 仅设置端板加劲肋的主应力流 图2 1 4 仅设置拄腹援加劲肋的主应力流 9 河海大学硕士论文 此外还可以看出，端板上的应力分布相对集中于上、下两个区域，即上部的受拉 区和下部的受压区，中间段的应力很小，因此，弯矩荷载可以等效为一个力偶n 6 1 ，如 图2 1 5 所示。 矿 j 1 i 卅，j j 一 ) m 垮 - - n m i h i n m 图2 卜5 等效力偶图 受压区中板件受到挤压作用、螺栓发生预应力松弛，两者都不易发生破坏。受拉 区中板件分离、螺栓拉力增大。是整个节点的薄弱环节，由于粱翼缘上下两侧的螺栓 对称分布，其应力也基本是呈“t ”型对称分布的，根据这一特点，我们可以把受拉 区接节点简化为“t 型件”以便对螺栓的受力专门加以研究引，如图2 1 6 所示。 l 一柱翼缘板：2 一端板：3 一螺栓；4 一梁翼缘板 图2 1 - 6 受拉区简化t 型件 2 1 2 节点的破坏形式 根据已有的试验结果，结合上一节中的受力分析可知，端板连接主要的破坏形式 1 0 第二章端板连接的强度研究 有：螺栓拉断、端板屈服、节点域屈服等几种形式。 当端板、节点域柱翼缘较厚时，螺栓相对薄弱，位于受拉区螺栓将被拉断，如图 图2 1 7 a 所示；当端板相对较薄时，受拉区端板将发生塑性破坏而屈服、破坏，如图 图2 1 7 b 所示；当节点域柱翼缘、柱腹板较薄时，节点域将屈服、发生过大变形而破 坏，如图图2 1 7 c 所示。 ( a ) 螺栓拉断( b ) 端板屈服 ( c ) 节点域屈服 图2 卜7 端板连接主要的破坏形式 值得注意的是，由于端板的变形能力远大于螺栓，因此，即使端板先于螺栓进入 屈服状态，最终螺栓往往还是要发生破坏的。此外，框架结构中为了保证梁柱的稳定 性，所设计出的板件的厚度通常都足够大，不会弱于螺栓，因此，螺栓是整个节点的 薄弱环节，它的承载能力也是整个节点强度的决定因素。 2 1 3 节点强度的计算方案 根据已有的工程经验，结合上一节对节点破坏形式的分析，多数文献中一致认为 节点的承载能力主要取决于螺栓【4 】瞄】 2 6 1 。 在具体进行强度设计时螺栓处于首要地位，必须保证螺栓在设计弯矩m 及剪力v 的作用下不破坏，由此确定端板布置方式及螺栓的直径、数目。完成了螺栓设计后， 端板、节点域等的设计与验算问题就迎刃而解了。 由此可见，在整个节点强度问题中螺栓占有举足轻重的地位，其他组件的设计一 般都要在螺栓的设计方案确定后进行。因此，接下来的章节将首先讨论螺栓的计算理 论与方法。 河海大学硕士论文 2 2 螺栓的强度 2 2 1 螺栓的受力状态 在上一节中已经探讨了整个节点的受力状态，然而具体到节点中螺栓的受力状态 情况则要复杂得多。 首先，处于不同位置的螺栓受力状态有很大的差别。位于受压区的螺栓，随着节 点弯矩的增大螺栓拉力将有所减少从而发生预应力松弛，作用力主要转由板间接触压 力承担，因此受压区螺栓一般不会发生破坏。位于受拉区的螺栓，当节点弯矩增大到 一定的程度，拉力将超过预拉力，而后继续增大直至达到极限抗拉能力而破坏，所以， 螺栓的强度主要是针对受拉区的螺栓而言的。 其次，即便是位于受拉区的螺栓，其受力性质也不容易界定。现有规范中螺栓的 受力计算模型只有抗拉螺栓和抗剪螺栓两种，而受拉区螺栓在弯矩作用下破坏时，不 仅承受拉力还承担一定的弯矩，有的学者认为应当按照抗拉和抗弯共同计算，这就超 出了现行规范的理论体系。 本节的研究目的就是对螺栓在弯矩作用下的力学行为加以剖析，明确螺栓所受破 坏作用的性质。 2 2 1 1 研究螺栓受力状态的有限元模型 为了更好的研究螺栓的受力状态，本小节将受拉区节点简化为“t 型件”，运用 a n s y s 软件专门针对螺栓进行深入的分析。 考虑端板厚度的改变是螺栓受力状态的主要影响因素，本文建立了不同端板厚度 的6 个试件模型，各试件的尺寸如表2 2 - 1 所示。 表2 2 - 1t 型件模型几何尺寸表 螺栓直径柱翼缘厚度梁翼缘厚度端板厚度 试件编号 ( m m )( m m )( m m )( r a m ) t m t 82 03 02 48 t f n t l 22 03 02 41 2 1 m t l 6 2 03 0 2 4 1 6 m 雕t 2 02 0 3 0 2 42 0 t m t 2 42 03 02 42 4 t m t 2 82 0 3 0 2 4 2 8 所有实体均采用s o l i d 9 2 单元进行模拟，用t a r g e l 7 0 单元和c o n t a l 7 4 单元 第二章端板连接的强度研究 创建端板与柱翼缘之间的接触对，通过p s m e s h 生成三维预拉单元p r e t s l 7 9 对螺 栓施加预紧力。 材料的弹性模量均取e = 2 0 6 x1 0 p a ，泊松比均取0 3 。应力应变关系均采用 理想弹塑性。高强度螺栓的屈服强度为9 4 0 m p a ：其余材料的屈服强度为3 4 5 m p a ，每 个高强度螺栓施加预拉力1 5 5 k n 。端板与柱翼缘间摩擦面的抗滑移系数为0 4 。 “t 型件”中柱翼缘板固定，在梁翼缘端部施加纵向拉力，如图2 2 i 所示。 图2 2 - 1t 型件模型受力示意图 2 2 1 2 螺栓受力状态的有限元计算结果及分析 由于螺栓上的拉力和弯矩作用都体现为沿栓杆方向的应力( 纵向应力) ，因此本 文从试验数据中提取了螺栓的纵向应力值。其中，各试件螺栓竖剖面上的纵向应力分 布如图2 2 2 7 所示： 图2 2 - 2 试件t m t 8 螺栓剖面应力图图2 2 q 试件t m t l 2 螺栓剖面应力图 图2 2 - 4 试件t n t l 6 螺栓削面应力图图2 2 _ 5 试件t u t 2 0 螺栓削面应力图 河海大学硕士论文 图2 2 _ 6 试件t r o t 2 4 螺栓剖面应力图图2 2 _ 7 试件t r o t 2 8 螺栓削面应力图 从图2 2 2 7 中可以发现，所有试件都有一个共同特点：左端栓杆上侧拉应力大 于下侧，受负弯矩作用；右端栓杆下侧拉应力大于上侧，受正弯矩作用；中间段存在 反弯点，弯矩很小。 表2 2 - 2 各t 型件螺栓弯矩 试件编号中间段弯矩( n + m )杆右端弯矩( n m ) t m t 81 4 4 4 5 6 4 3 5 t m t l 25 8 2 22 9 1 7 0 t m l l 6】9 1 04 1 3 0 5 t m t 2 05 8 58 4 6 t m t 2 4_ 2 2 9 3 1 6 7 t m t 2 8- o 6 34 2 5 6 表2 2 - 2 是节点达到极限承载状态时螺栓各部位的弯矩值，从中也可以发现端板 较薄的试件t r o t 8 、t m t l 2 和t m t l 6 中问段弯矩远小于端部弯矩，端板较厚试件的中 间段弯矩绝对值也很小，其值可以忽略。因此，可以认为中间段基本上处于单一的受 拉状态。 此外，结合以上图表还可以发现，试件t r o t 8 、t m t l 2 和t m t l 6 的端板较薄，螺 栓的弯矩也明显很大，其中t r o t 8 和t m t l 2 两个试件最终是端板发生冲剪或屈服而破 坏，螺栓未被拉断；试件t m t l 6 中端板屈服而出现塑性铰，螺栓发生颈缩而被拉断， 然而发生颈缩的位置并不在弯矩最大的端部，而是在偏向栓杆中间的位置。 试件t m t 2 0 、t m t 2 4 和t r o t 2 8 的端板较厚，螺栓的弯矩也明显很小，最终破坏时 都是螺栓发生了颈缩，而且被拉断的位置也明显靠近栓杆中部。 综合可见，在所有螺栓发生破坏的试件中，螺栓颈缩的位置都没有出现在栓杆弯 矩最大的位置，而是出现在几乎单纯受拉的位置。 2 2 1 3 螺栓受力状态的结论 由上述分析发现，一些文献中认为螺栓需要进行抗弯验算的必要性不大慵1 ，即： 1 4 第二章端板连接的强度研究 在节点弯矩的作用下，螺栓杆截面上虽然也产生一定的弯矩，但是这种弯矩并不是造 成螺栓破坏的主要因素，螺栓的破坏主要是由栓杆拉力造成的。 因此，本文认为弯矩作用下端板连接中高强度螺栓应按照抗拉螺栓进行验算，栓 杆弯矩可以不予考虑。 2 2 2 螺栓拉力的容许值 要保证节点能正常工作，除了要保证单个螺栓( 受力最大的螺栓) 不能超出其极 限承载力以外，还要使端板与柱翼缘之问保留一定的接触压力以产生足够的摩擦力抗 剪。 为了满足接触压力的要求，规范中规定螺栓所分配到的拉力不能超过螺栓预拉力 p 的8 0 。传统的撬力理论认为螺栓所受的实际拉力比名义拉力有额外的增大，如图 2 2 8 所示。螺栓杆实际承受的拉力为： m = 丁+ q( 式2 一1 ) 其中，m 一螺栓的实际拉力 r 一螺栓的名义拉力 q 一端板的撬力 t + q t + q 图2 2 - 8 “t 型件”撬力示意图 由图2 2 - 8 可见，撬力是一种理想化的杠杆力，支点位于端板端部。事实上，“撬 力”的实质是端板与柱翼缘板之问的接触反力，与柱翼缘之间的接触是“面”而非“点”， 本文将其定义为端板反力。 端板反力将传递给螺栓，因此它对螺栓所承担的实际拉力有着很大的关系。端板 反力的影响因素比较多，其具体大小很难通过理论计算得出。传统的理论没有根据不 河海大学顽士论文 同的实际因素具体考虑，对其作用机理的分析也过于粗略，这会导致对螺栓实际受力、 破坏机理的判断不准确，从而影响对单个螺栓承载力的计算。 2 2 2 1 端板反力作用机理的研究 一、研究端板反力的有限元模型 为了更好的掌握端板反力的变化规律，本文通过有限元软件进行了较为深入的分 析。考虑到端板厚度的变化，选择建立了4 个试件模型，各试件的具体尺寸如表2 2 - 3 所示。 表2 2 - 3 试件模型几何尺寸表 螺栓直径 柱翼缘厚度梁翼缘厚度端板厚度 试件编号 ( m m )( m m )( m m )( m m ) t m t l 62 0 3 0 2 4 1 6 t m t 2 02 0 3 0 2 42 0 t r o t 2 42 03 02 42 4 t m t 2 82 0 3 0 2 4 2 8 试件的材料参数、几何形状、受力方式以及有限元模型的建立方法与上一节中的 “t 型件”完全相同。 二、端板反力的取值问题 各试件在达到极限荷载及半载时的端板反力值如表2 2 4 所示。 表2 2 - 4 端板反力的实际值 试件半载荷半载反力半载反力极限荷载极限反力极限反力 编号 载( i 甜)值( k n ) 半载荷载 ( k n )值o 洙) 极限荷载 t m t l 68 1 s 78 7 3 21 0 71 6 8 0 25 2 7 80 3 l t m t 2 09 2 。0 57 5 。1 70 8 21 8 9 4 l4 2 4 8o 2 2 t m t 2 41 0 9 8 86 0 1 30 5 52 0 7 9 0 2 l ，5 3 o 1 0 t m t 2 81 1 2 5 95 5 1 80 4 92 3 1 o l0 0 00 o o 由表2 2 4 中结果可以看出，各试件采用不同厚度的端板，反力的实际值受到很 大的影响，而且同一试件在荷载作用的不同阶段反力值的变化也很大。因此，要确定 实际的取值比例，首要的问题是明确节点容许达到的荷载水平，这就需要对端板反力 的作用机理做深入的分析。 三、端板反力的作用机理分析 从有限元计算结果中提取了各试件端扳反力随荷载的变化曲线，如图2 2 9 1 2 所示。 第二章端板连接的强度研究 由端板反力荷载曲线图可以发现：所有试件中的端板反力都随着荷载的增大持续 降低直至节点破坏。其中试件t r o t 2 8 的端板反力减少的速率最快，最终成为0 ，端板 与柱翼缘已经完全分离；其他试件的端板反力最终都基本稳定在某一水平上，端板与 柱翼缘尚有接触。 图2 2 - 9 试件t m t l 6 端板反力一荷载曲线圈2 2 - 1 0 试件t r o t 2 0 端板反力一荷载曲线 图2 2 - 1 1 试件t m t 2 4 端板反力一荷载曲线圈2 2 - 1 2 试件t m t 2 8 端板反力一荷载曲线 根据上述现象，笔者分析了端板反力的作用规律，并将其分为三个阶段： 1 、初始阶段： 初始阶段是指螺栓已经施加完预拉力，而尚未施加节点荷载的阶段。此时，螺栓 的预拉力完全由端板反力承担，端板反力与螺栓预拉力相平衡，作用点可认为在螺栓 中心处，如图2 2 1 3 所示。 此时 m = q = p ( 式2 - 2 ) 河海大学硕士论文 o = p 图2 2 - 1 3 初始阶段端板反力示意图 其中，q 一端板反力： 尸一螺栓的预拉力 2 、偏移阶段： 施加节点荷载后，端板由于螺栓的约束形成杠杆如图2 2 1 4 所示。随着荷载的增 大，作用点将会从螺栓中心处逐渐向远离荷载的方向偏移，这一过程称为偏移阶段， 本文将作用点偏移初始位置的距离记为偏移距离e 。 f 0 一门e i i l l 厂 o l 图2 2 - 1 4 偏移阶段端板反力示意图 这一阶段中，力臂a 是固定的，而力臂e 是从0 开始增长的，于是形成了一个不 稳定的杠杆，端板反力的表现形式也逐渐由初始的对称分布演变为非对称的“杠杆 力”。 偏移距离e 的大小取决于端板、螺栓的刚度等因素，具体大小很难确定，但通过 推理我们不难得出如下规律： ( 1 ) 当螺栓的刚度一定时，端板刚度越大e 偏移得越快； 第二章端板连接的强度研究 ( 2 ) 当端板的刚度定时，螺栓刚度越大e 偏移得越慢； ( 3 ) 当螺栓及端板的刚度一定时，螺栓的预拉力越大e 偏移得越慢。 3 、破坏阶段： 随着荷载的进一步增大，节点中的螺栓或端板将达到承载力极限，这一过程称为 破坏阶段。 e 将随荷载而增大，但由于端板的刚度所限，e 的增长速度将越来越慢，最终趋 近于一个极限值，记为e 0 。 根据规范中的构造要求，螺栓中心到端板端部的距离大都是5 0 m m 左右，将其记 为c 。也即是说，e 的实际偏移幅度只能在c 的范围内，于是又可分为以下三种破坏情 况： ( 1 ) 当螺栓的刚度相对很大，端板相对很柔的时候，有e o c 。此时，偏移距离e 会迅速增大丽越过偏移阶段，而后以c 处为支点形成一个杠杆，但形成杠杆后，由于 刚度相差悬殊螺栓拉力将迅速增长进而伸长，使端板与柱翼缘分离，荷载直接由螺栓 承担，端板反力成为0 ，试件t r o t 2 8 即是这种情况。 2 2 2 2 本文关于端板反力属性的探讨 前述破坏阶段的前两种情况中都形成了较为稳定的杠杆，端板反力最终以“杠杆 力”的形式表现；第三种情况中端板反力也表现为短暂的“杠杆力”。但这种“杠杆 力”的作用机理与传统理论中所假设的“撬力”并不完全相同，表现在以下两点： l 、端板反力是接触“面”力，而“撬力”这一概念容易令人联想到它是集中作 用于端部支点上，呈“点触式”分布而非大面积接触作用的力，而事实上它仍然是分 布作用的板间压力，仍然能够产生摩擦抵抗剪力作用。“作用点”仅仅是为了计算方 便，考虑其合力而提出的理论上的假设。 1 9 河海大学硕士论文 2 、实际的作用点的位置是变化的，初始状态作用中心在螺栓处，随荷载增大逐 渐向端板端部偏移。而传统的撬力理论认为作用点的位置是固定的，作用在端板的端 部，这不符合实际情况。 此外，传统的撬力理论在分析接触压力问题时只考虑了受拉区的撬力效应，而实 际上接触压力及其摩擦力是包括受压区在内的整个端板共同参与的。如果从整个节点 来考虑，受拉区和受压区在水平方向上的力是平衡的，受拉区造成的压力减少值会转 增到受压区，板问压力的总额是不变的，而且由于撬力会导致螺栓反作用力的额外增 大接触压力的总额甚至会增大。这样一来，我们就无须担心接触压力减少而造成的 摩擦力不足。 2 2 2 3 本文关于螺栓拉力容许值的结论 综上所述，本文认为在进行螺栓的强度计算时主要是保证螺栓自身的承载能力。 但是，为了保证节点安全，螺栓的名义拉力限值可按照规范取o 8 p ，具体计算中要控 制螺栓的实际拉力不超过预拉力p 。 明确螺栓拉力容许值后，我们还需要知道单个螺栓实际承担的拉力值方能进行强 度验算，因此，在接下来的章节中将讨论节点中螺栓拉力的取值问题，即螺栓拉力分 配模型闯题。 2 2 3 螺拴的拉力分配模型 初始阶段施加荷载之前，各排螺栓的受力状态是相同的，此时的拉力分配也是均 匀的；施加荷载之后，受压区螺栓的预拉力将会出现松弛，受拉区螺栓的拉力将有逐 渐增大的趋势，随荷载的增大超过预拉力而伸长直至最终破坏，此时，各排螺拴拉力 状态就存在很大差异。拉力分配模型呈非均匀状态。 拉力分配模型选择得是否正确直接影响到节点计算模型和设计计算方法的合理 性和可靠性，因此螺栓计算模型是我们所关心的关键问题。 在“1 2 2 端板连接应用中存在的问题”中提到，我国线性规范中的刚性计算模型 与实际情况有很大偏差，而其他国家的螺栓拉力分布理论是众说纷纭，这使我们的设 计理论很不成熟。 而事实上，螺栓拉力的分配将受到节点构造型式、端板厚度、端板加劲肋等因素 的影响而呈现不同的状态，用单一的模型很难准确表达。为了深入研究各种因素对拉 力分配的影响，选择理想的计算模型，本文将从节点构造型式、端板厚度、端板加劲 第二章端板连接的强度研究 肋三个方面分别展开论述。 2 2 3 1 节点构造类型对螺栓拉力分配的影响 一、不同构造端板连接的有限元模型 本节建立了三组节点模型，尺寸均取自于常规多层钢框架中的梁柱节点，梁柱均 为h 型钢，截面尺寸见表2 2 5 。板材均为q 3 4 5 b 钢，端板加劲肋为三角形，厚1 0 m m ， 所有试件的端板厚度均为2 0 m m ，柱翼缘在端板外伸边缘上下各1 0 0 r a m 范围内局部 加厚，厚度与端板相同。 表2 2 - 5 试件粱柱截面尺寸 组别截面高度腹板厚翼缘宽翼缘厚 粱3 0 082 0 01 2 第一组 柱 3 0 082 5 01 2 粱6 0 062 4 01 0 第二、三组 柱4 5 082 4 01 2 三组试件中又分别采用不同的端板构造型式及螺栓布置方式，建立了若干有限元 模型，端板的平面布置如图2 2 1 5 所示。 螺栓均采用1 0 9 级高强度螺栓m 2 0 ，预拉力设计值为1 5 5k n ，摩擦面的抗滑移 系数为0 4 ，节点模型的具体构造及参数见表2 2 ，6 。 采用a n s y s 三维l o 节点四面体单元s o l i d 9 2 对所有实体进行模拟，用三维目 标单元t a r g e l 7 0 和接触单元c o n t a l 7 4 创建端板与桂翼缘之间的接触对，通过 p s m e s h 生成三维预拉单元p r e t s