門(mén)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(xué)校建筑工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，河北承德067000)

門(mén)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(xué)校建筑工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，河北承德067000)

門(mén)式剛架設(shè)計(jì)過(guò)程中極其重要的環(huán)節(jié)是節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。而傳統(tǒng)的端板厚度計(jì)算公式是利用端板屈服極限平衡原理推出的，假設(shè)端板為平面剛性板，螺栓的受力計(jì)算模型與實(shí)際受力存在偏差。基于此問(wèn)題利用ANSYS建模，通過(guò)受力分析比較規(guī)范螺栓計(jì)算模型，在此次基礎(chǔ)上提出了更加切合實(shí)際的螺栓受力計(jì)算公式。首先使螺栓計(jì)算受力更加吻合螺栓的實(shí)際工作狀態(tài);其次提高了端板厚度確定的準(zhǔn)確性，從而改善門(mén)式剛架的整體穩(wěn)定性。

門(mén)式剛架;節(jié)點(diǎn);端板;螺栓

門(mén)式剛架設(shè)計(jì)過(guò)程中極其重要的環(huán)節(jié)是節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［1］，是決定門(mén)式剛架的整體性穩(wěn)定性、剛塑性的關(guān)鍵因素。端板連接著梁和柱，它的變形能協(xié)調(diào)和緩解梁柱的變形，避免其過(guò)早破壞。而端板厚度計(jì)算公式是利用端板屈服極限平衡原理推出的，假設(shè)端板為平面剛性板［2］，而ANSYS模擬的結(jié)果與傳統(tǒng)計(jì)算方法存在偏差。本文在ANSYS分析的基礎(chǔ)上改進(jìn)了規(guī)范中節(jié)點(diǎn)域腹板強(qiáng)度檢驗(yàn)理論，提出了螺栓受力計(jì)算模型。

1　試件設(shè)計(jì)

以跨度21 m、柱距5 m、檐高8 m、坡度為1/10的單層輕鋼門(mén)式剛架廠房為研究載體［3］，選取梁長(zhǎng)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(xì)表

表2　螺栓明細(xì)表

2　ANSYS模擬分析

2．1約束施加

在柱底施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的位移約束，柱頂預(yù)先施加Z方向的約束;梁的自由端施加X(jué)、Y方向約束，將梁端平面藕合，平動(dòng)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(yīng)力

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

從螺栓沿螺桿長(zhǎng)度方向應(yīng)力分布圖(見(jiàn)圖6)中可見(jiàn)，四排螺栓的最大應(yīng)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(guó)現(xiàn)行規(guī)范中假定端板連接為剛性連接，端板繞中心軸線發(fā)生平面轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)算模型

輕鋼規(guī)程中端板厚度計(jì)算公式中螺栓拉力Nt采用了螺栓的設(shè)計(jì)拉力。而螺栓拉力又以三角形應(yīng)力分布的方法計(jì)算。拉力Nt的計(jì)算與ANSYS模擬的結(jié)果存在偏差，這就導(dǎo)致按端板厚度計(jì)算公式所得的端板比實(shí)際要厚。也就是說(shuō)，節(jié)點(diǎn)端板厚度的確定直接受螺栓的受力計(jì)算影響。

根據(jù)上述分析，提出更加符合實(shí)際情況的螺栓應(yīng)力計(jì)算模型見(jiàn)圖7、圖8。

以受壓翼緣中心作為端板轉(zhuǎn)動(dòng)中心，以第二排螺栓的名義拉力作為螺栓最大拉力進(jìn)行設(shè)計(jì)，各螺栓名義拉力無(wú)加勁肋可按式(1)～(4)計(jì)算;有加勁肋按式(5)計(jì)算。計(jì)算公式如下:

其中

式中:yi—轉(zhuǎn)動(dòng)中心到螺栓中心的距離，mm;M—設(shè)計(jì)彎矩，kN·m;m、n—螺栓列數(shù)和排數(shù)。

4　結(jié)論

利用ANSYS建模，分析門(mén)式剛架端板連接的受力性能，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的端板厚度計(jì)算公式是利用端板屈服極限平衡原理推出的，螺栓的應(yīng)力計(jì)算與實(shí)際受力不符。在ANSYS分析的基礎(chǔ)上改進(jìn)了規(guī)范中節(jié)點(diǎn)域腹板強(qiáng)度檢驗(yàn)理論，提出了新型螺栓受力計(jì)算模型。首先保證螺栓設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際工作狀態(tài);其次為確定端板厚度提供準(zhǔn)確參數(shù)，從而改善節(jié)點(diǎn)的受力性能，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。

［1］朱海寧．輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)［M］．南京:東南大學(xué)出版社，2003．

［2］曹杰．輕鋼門(mén)式剛架梁柱連接節(jié)點(diǎn)受力性能研究［D］．西安:西安科技大學(xué)，2009．

［3］曹杰，穆丹丹．基于層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)理論的住宅性能評(píng)價(jià)［J］．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，12(4):67－68．

［4］荊軍，王元清，石永久．門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)端板連接節(jié)點(diǎn)性能研究與設(shè)計(jì)［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2000(4):26－28．

［5］施剛．門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)端板連接的有限元與試驗(yàn)分析［J］．土木工程學(xué)報(bào)，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(xiàng)目(門(mén)式剛架新型節(jié)點(diǎn)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(xué)校建筑工程系講師，碩士，一級(jí)建造師，主要研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程造價(jià)管理。