螺栓連接建模方法和受剪性能分析

(廣州大學 廣東 廣州 510006)

在鋼、鐵發展初期，鉚釘是主要的緊固件，但是其軸向力不能控制，所以不能用于設計計算。后來人們發現，螺栓可以擰緊到足以抵抗滑動，并且提供足夠的安全強度。螺栓的適用性逐漸得到關注后，美國材料試驗協會編撰了第一本高強度螺栓材料暫行規范，允許在一比一的基礎上用螺栓代替鉚釘。隨著研究的進展，德國、英國等都著手推進螺栓在鋼結構連接中的規范應用。

螺栓可以分為普通螺栓和高強度螺栓，其中，高強度螺栓分為承壓型和摩擦型兩類[1]。摩擦型僅依靠板間摩擦傳力，設計準則為剪力不能超過板間摩擦力。承壓型則允許接觸面產生滑移，以連接達到破壞的極限承載力作為標準。螺栓的分類情況如表1所示。

表1 螺栓分類表

一、工作性能

按照螺栓的受力狀態，連接接頭可以分為三種情況：(1)抗剪連接；(2)抗拉連接；(3)拉剪組合連接。當螺栓承受剪力作用時，如果荷載的作用線通過螺栓群的重心，則承受軸心剪力；反之為偏心剪力，會產生附加扭轉力矩，增加螺栓的剪應力。

抗剪連接的形式主要有兩種：采用如圖1所示的搭板式拼接時，螺栓受單剪作用，容易引起彎曲應力，故僅用于次要連接。在圖2所示的連接板拼接中，對稱的剪力面能夠防止板材出現彎曲，因此受力性能較好。

在實際工作中，對螺栓軸向擰緊后，會產生若干軸向力，能夠防止連接部件活動或者螺帽松脫。但是普通螺栓中的摩擦阻力很小，大多數情況下螺栓會滑動到承壓，表現為板件孔壁承受壓力，螺栓受剪。

圖1搭板式拼接圖2連接板拼接

二、有限元建模

隨著有限元的發展，使用有軟件建立模型，能夠模擬螺栓連接的受力情況。本文選擇試驗節點為研究對象[2-4]，如圖3所示，建立了單顆普通螺栓連接板模型。其中，板件選用Q345級鋼，螺栓型號選用4.8級M20。上、下兩塊蓋板的外形尺寸規定為400mm×154mm×10mm，芯板的外形尺寸為500mm×154mm×12mm，孔徑比螺栓桿大2mm。根據規范的要求，端距e取值為66mm，邊距c取值為44mm。材性數據也根據規范取值。

圖3 普通螺栓連接板模型

在劃分網格的時候，考慮到螺栓孔的變形較大，并且有應力集中的現象，因此在其周圍進行了局部加密，提高計算精度。模型中的部件都采用C3D8R單元，能夠在較短的試件內達到較高的計算精度。

本文在上、下兩塊蓋板的左端施加沿x、y、z三個方向的固定約束，在芯板右端施加水平方向的位移荷載，位移量為20mm，進行受力分析。

三、結論

根據本文的方法，建立單螺栓連接板模型，得到位移—荷載曲線。在中國規范中，針對螺栓連接板的承壓荷載，給出了具體的公式。將兩者進行對比，發現承載力相差4.78%，在合理范圍之內。

對試件的應力云圖進行分析，可以看到，受到外加荷載后，螺栓孔被拉長發生塑性變形，板件孔壁出現比較明顯的應力集中，與實際情況相符合。本文提出的螺栓連接的建模方法能夠較好地對受力性能模擬，并且由此進行分析。