門式剛架端板連接螺栓受力性能分析

曹杰，穆丹丹，李琳

(1．承德石油高等專科學校建筑工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學校機械工程系，河北承德067000)

門式剛架端板連接螺栓受力性能分析

曹杰1，穆丹丹2，李琳1

(1．承德石油高等專科學校建筑工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學校機械工程系，河北承德067000)

門式剛架設計過程中極其重要的環節是節點的設計。而傳統的端板厚度計算公式是利用端板屈服極限平衡原理推出的，假設端板為平面剛性板，螺栓的受力計算模型與實際受力存在偏差。基于此問題利用ANSYS建模，通過受力分析比較規范螺栓計算模型，在此次基礎上提出了更加切合實際的螺栓受力計算公式。首先使螺栓計算受力更加吻合螺栓的實際工作狀態;其次提高了端板厚度確定的準確性，從而改善門式剛架的整體穩定性。

門式剛架;節點;端板;螺栓

門式剛架設計過程中極其重要的環節是節點的設計［1］，是決定門式剛架的整體性穩定性、剛塑性的關鍵因素。端板連接著梁和柱，它的變形能協調和緩解梁柱的變形，避免其過早破壞。而端板厚度計算公式是利用端板屈服極限平衡原理推出的，假設端板為平面剛性板［2］，而ANSYS模擬的結果與傳統計算方法存在偏差。本文在ANSYS分析的基礎上改進了規范中節點域腹板強度檢驗理論，提出了螺栓受力計算模型。

1　試件設計

以跨度21 m、柱距5 m、檐高8 m、坡度為1/10的單層輕鋼門式剛架廠房為研究載體［3］，選取梁長1．0m、柱高1．6 m、端板厚20mm的試件作為ANSYS分析模型。試件尺寸如圖1、表1、表2所示。

表1　基本試件梁柱明細表

表2　螺栓明細表

2　ANSYS模擬分析

2．1約束施加

在柱底施加X、Y、Z三個方向的位移約束，柱頂預先施加Z方向的約束;梁的自由端施加X、Y方向約束，將梁端平面藕合，平動模擬Z方向的位移［4，5］，如圖2所示。

柱翼緣板和端板、螺栓孔與螺栓桿間以及端板和螺帽相互間的接觸面接觸采用TARGE170單元和CONTA174單元模擬，如圖3所示。

2．2螺栓Mises應力

施加單調荷載直到試件破壞得到試件應力云圖(見圖4、圖5)。圖4、圖5中顯示端板、翼緣板均發生了變形，螺栓長度方向的變性明顯，特別是第四排螺栓沿長度方向受力很不均勻，這是由于端板的變形，產生較大的撓曲作用。

從螺栓沿螺桿長度方向應力分布圖(見圖6)中可見，四排螺栓的最大應力分別為308．26、575．83、393．99、562．26 MPa。受力最小的是第一排螺栓，而第二排螺栓受力最大。我國現行規范中假定端板連接為剛性連接，端板繞中心軸線發生平面轉動，第一排螺栓承受拉力最大，兩者差異較大。

3　螺栓受力新型計算模型

輕鋼規程中端板厚度計算公式中螺栓拉力Nt采用了螺栓的設計拉力。而螺栓拉力又以三角形應力分布的方法計算。拉力Nt的計算與ANSYS模擬的結果存在偏差，這就導致按端板厚度計算公式所得的端板比實際要厚。也就是說，節點端板厚度的確定直接受螺栓的受力計算影響。

根據上述分析，提出更加符合實際情況的螺栓應力計算模型見圖7、圖8。

以受壓翼緣中心作為端板轉動中心，以第二排螺栓的名義拉力作為螺栓最大拉力進行設計，各螺栓名義拉力無加勁肋可按式(1)～(4)計算;有加勁肋按式(5)計算。計算公式如下:

其中

式中:yi—轉動中心到螺栓中心的距離，mm;M—設計彎矩，kN·m;m、n—螺栓列數和排數。

4　結論

利用ANSYS建模，分析門式剛架端板連接的受力性能，通過比較發現傳統的端板厚度計算公式是利用端板屈服極限平衡原理推出的，螺栓的應力計算與實際受力不符。在ANSYS分析的基礎上改進了規范中節點域腹板強度檢驗理論，提出了新型螺栓受力計算模型。首先保證螺栓設計更加符合實際工作狀態;其次為確定端板厚度提供準確參數，從而改善節點的受力性能，加強結構的整體性、穩定性。

［1］朱海寧．輕型鋼結構建筑構造設計［M］．南京:東南大學出版社，2003．

［2］曹杰．輕鋼門式剛架梁柱連接節點受力性能研究［D］．西安:西安科技大學，2009．

［3］曹杰，穆丹丹．基于層次分析法和灰色關聯理論的住宅性能評價［J］．承德石油高等專科學校學報，2010，12(4):67－68．

［4］荊軍，王元清，石永久．門式剛架輕型鋼結構端板連接節點性能研究與設計［J］．建筑結構，2000(4):26－28．

［5］施剛．門式剛架輕型房屋鋼結構端板連接的有限元與試驗分析［J］．土木工程學報，2004(7):6－8．

Stress Analysis of Bolt in Portal Frame End Plate Connection

CAO Jie1，MU Dan-dan2，LI Lin1
(1．Department of Construction Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China; 2．Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

A very important link in the process design of portal frame is the design of the joint．But the traditional calculation formula of the thickness of the end plate is the use of end plate yield launched by the limit equilibrium principle．Assuming the end plate is a plane rigid board，the stress bolt calculation model is different from the actual stress．The paper uses ANSYS modeling in the stress analysis and comparison of standard bolt calculation model．Based on this，the paper proposes more realistic bolt stress calculation model．On the one hand，under the premise of ensuring safety，it can better meet the actual stress state of bolt;on the other hand，it can determine the appropriate thickness of the end plate，ensure the strength and stiffness of the joint，and exert better bolts and end plate of collaborative work．

portal frame;node;end-plate;bolt

TU391

A

1008-9446(2015)02-0024-04

承德市科研項目(門式剛架新型節點抗震性能研究):20132147

2014-10-31

曹杰(1980－)，男，山東德州人，承德石油高等專科學校建筑工程系講師，碩士，一級建造師，主要研究方向為鋼結構設計、工程造價管理。