擰入缺陷對螺栓球節點受力性能影響

吳瓊堯，王化杰, ，錢宏亮, ，韓 康，范 峰

(1.哈爾濱工業大學(威海)土木工程系，山東 威海 264209；2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150090)

擰入缺陷對螺栓球節點受力性能影響

吳瓊堯1，王化杰1,2，錢宏亮1,2，韓 康1，范 峰2

(1.哈爾濱工業大學(威海)土木工程系，山東 威海 264209；2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150090)

螺栓球節點在空間網格結構中應用廣泛，然而由于其組成構件較多，在安裝過程中容易出現高強螺栓擰入長度不足的初始缺陷.為研究該缺陷對螺栓球節點受力性能的影響，采用ANSYS軟件建立了帶有螺紋的螺栓球節點精細化模型，通過改變螺紋的嚙合數來模擬高強螺栓的擰入長度，并利用已有試驗數據對模擬方法的準確性進行了驗證.在此基礎上，對M20、M24、M27三種常用節點在不同擰入長度下的抗彎性能進行分析，結果表明螺栓球節點隨著擰入長度的變化主要存在三種工作及破壞模式，高強螺栓擰入長度不足可嚴重降低節點剛度及其極限承載力.最后對上述三種節點在不同擰入長度下的抗拉性能進行模擬分析，得到了不同擰入長度下螺栓球節點抗拉承載力的退化規律及可能的破壞模式，給出了抗拉承載力降低比例與螺栓擰入長度的關系曲線，研究成果可為螺栓球節點的施工控制及相似結構的安全性能評估提供技術參考.

螺栓球節點；擰入缺陷；螺紋；彎曲剛度；數值模擬

螺栓球節點是一種常用的空間網格結構節點形式，其工廠化生產、安裝速度快等特點符合裝配式建筑的要求，在工程設計與施工中得到了廣泛的應用.但是由于螺栓球節點的組成構件較多，在實際安裝中容易存在諸多施工缺陷，如高強螺栓擰入長度不足、桿件初始彎曲等[1].其中高強螺栓擰入長度不足是一種較為常見的施工缺陷，規范《空間網格結構技術規程》[2]中要求高強螺栓的擰入長度在1.1倍螺栓直徑左右，實際工程中由于構件質量和安裝缺陷等原因常常不能滿足規范要求的擰入長度，因此造成的工程事故不在少數.1995年天津某地毯廠網架發生坍塌，對事故原因進行分析發現部分高強螺栓的擰入長度不足，導致高強螺栓發生螺紋破壞而從螺栓球中拔出[3].2005年內蒙古某公司發電廠汽機間網架在施工過程中未按要求架設臨時支撐，使網架產生較大變形，導致高強螺栓與螺栓孔對接偏差較大，高強螺栓存在假擰緊情況，因此造成坍塌事故[4].可見，高強螺栓擰入長度不足對螺栓球節點的受力性能影響較大，對結構安全性造成嚴重的影響.以往的研究主要關注螺栓球節點的半剛性[5-6]及其在單層網殼結構中的適用性[7-8]，對高強螺栓擰入長度不足下的節點受力性能研究較少.在數值模擬方面，Chenaghlou等[9]曾建立了螺栓球節點有限元分析模型，但對節點的螺紋部分未做精細化建模，在螺紋傳力上與實際情況有一定差距.因此，有必要建立帶有螺紋的螺栓球節點精細化模型來研究高強螺栓擰入長度不足對節點受力性能的影響.

本文首先建立帶有螺紋的螺栓球節點精細化有限元模型，對現有節點試驗進行模擬分析，驗證模擬方法的準確性.通過改變螺紋的嚙合數模擬高強螺栓擰入長度不足的施工缺陷，對M20、M24、M27三種高強螺栓規格對應節點的力學性能及其工作破壞機理進行研究，給出高強螺栓擰入長度對螺栓球節點力學性能影響規律，為螺栓球節點的施工控制及相似結構的安全性能評估提供技術參考.

1 節點精細化模擬方法及分析方案

1.1 模型建立

節點模型基于ANSYS平臺建立，構件材料按規范《鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓》[10]要求選取，螺栓球采用45號圓鋼，高強螺栓采用40Cr，套筒、錐頭、鋼管采用 Q235鋼，具體材料參數見表1，本構關系采用雙折線隨動強化模型.由于螺紋破壞主要為剪切變形且變形較大，故采用3D8節點SOLID185單元來模擬各構件.

表1 材料參數

為真實模擬節點各構件之間受力，防止模型因為大變形而發生單元滲透，本文選取ANSYS中提供的面-面接觸單元CONTA174和 TARGE170來模擬接觸面和目標面.接觸面設置見圖1，具體接觸對設置見表2.通過改變接觸單元實常數來調整接觸剛度，減小滲透.例如：通過增大法向接觸剛度系數FKN來提高接觸剛度，從而保證計算的速度和精確性.

本文按照規范《普通螺紋基本尺寸》[11]規定的螺紋尺寸對高強螺栓的螺紋進行精細化建模見圖2，具體尺寸見表3,最終節點精細化模型見圖3.

圖1 螺栓球節點接觸設置

編號接觸位置接觸面CONTA174目標面TARGE1701螺紋嚙合螺栓螺紋球體螺紋2球體與套筒套筒球體3套筒與錐頭套筒錐頭4螺栓與套筒、錐頭栓桿套筒、錐頭5錐頭與螺栓螺帽螺帽錐頭

圖2 螺紋圖示

mm

圖3 有限元模型

1.2 模擬方法驗證

為驗證數值模擬的準確性，采用上述精細化模擬方法對文獻[12]試驗進行分析.以M24螺栓球節點為例，模擬結果與試驗結果對比見圖4.模擬結果與試驗結果吻合良好，由于可以真實地考慮高強螺栓和螺栓球之間的螺紋嚙合傳力，本文模型的模擬結果更加貼近試驗，能夠更好地模擬節點的受力性能.

1.3 方案分析

為研究高強螺栓擰入長度不足對節點抗彎性能及抗拉性能的影響，本文對工程中常用的M20、M24、M27三種高強螺栓規格對應的節點進行分析，構件示意見圖5，具體尺寸見表4.為方便表述，后文對不同擰入長度分析模型的命名方式為：M高強螺栓直徑-擰入螺紋數，如M20-9表示M20節點高強螺栓擰入9個螺紋.具體分析方案見表5.

圖4 M24節點模擬與文獻試驗比對

圖5 節點構件尺寸示意

Tab.4 Joints sizes mm

表5 分析方案

2 抗彎性能分析

作為典型的半剛性節點，螺栓球節點的抗彎能力已在實際工程中得以應用[13].而高強螺栓擰入長度不足對節點抗彎性能的影響不可忽視，因此，以下將對高強螺栓擰入長度不足時的螺栓球節點抗彎性能進行分析，分析模型見圖6.

2.1 工作機理及破壞模式

以M20節點為例，通過分析發現，由于高強螺栓擰入長度的不同，螺栓球節點在彎矩作用下存在三種工作及破壞模式.

第一種為高強螺栓擰滿時(M20-9)，其工作機理見圖7.初始階段套筒與球體、錐頭之間閉合無空隙見圖7(a).在彎矩作用下節點由套筒和高強螺栓協同抵抗彎矩.極限狀態時各構件變形及應力水平見圖7(b)，提取節點塑性區域分布圖見圖7(c)，由圖可知，高強螺栓和套筒大面積進入塑性，節點表現為高強螺栓的彎曲破壞和套筒的受壓破壞，節點變形較小.

圖6 有限元模型

第二種為高強螺栓擰入長度輕度不足時(M20-8)，其工作機理見圖8.初始階段套筒與球體、錐頭并無接觸件圖8(a)，高強螺栓單獨抵抗彎矩.當節點轉角達到一定程度，套筒與球體、錐頭發生接觸，高強螺栓與套筒協同工作抵抗彎矩，此時高強螺栓應力較大，套筒應力較小.極限狀態時各構件變形及應力水平見圖8(b)，提取節點塑性區域分布見圖8(c)，高強螺栓大面積進入塑性，節點表現為高強螺栓的彎曲破壞，節點變形相對較大.

第三種為高強螺栓擰入長度嚴重不足時(M20-7)，其工作機理見圖9.由于高強螺栓擰入長度嚴重不足見圖9(a)，套筒與球體之間間隙較大.隨著彎矩的增大，直至節點破壞，套筒亦無法與球體發生接觸，全程由高強螺栓自身抵抗彎矩.極限狀態時各構件變形及應力水平見圖9(b)，提取節點塑性區域分布圖見圖9(c)，由圖可知，高強螺栓大面積進入塑性，最終表現為高強螺栓的彎曲破壞，節點變形最大.

圖7 M20-9節點工作機理示意

圖8 M20-8節點工作機理示意

圖9 M20-7節點工作機理示意

2.2 彎矩-轉角曲線

繪制節點彎矩-轉角曲線見圖10，可以看出，與其工作模式對應，隨著擰入長度的不同螺栓球節點彎矩-轉角曲線分三種形式.第一種模式為高強螺栓擰滿時，由于套筒與高強螺栓全程協同抵抗彎矩，節點轉動剛度較大，其極限承載力最高；第二種模式為擰入長度輕度不足時，高強螺栓首先承受大部分彎矩，節點初始剛度下降.當高強螺栓轉角達到一定程度時，套筒與球體、錐頭發生接觸，套筒與高強螺栓協同抵抗彎矩，節點剛度有一定提升，故彎矩-轉角曲線出現明顯提升，其承載力相較于第一種模式有所降低；第三種模式為擰入長度嚴重不足時，由于初始間隙較大，套筒全程未與球體、錐頭發生接觸，由高強螺栓自身抵抗彎矩，節點初始剛度降低明顯，極限承載力最低.且分析可知，M20、M24節點的彎矩-轉角曲線出現上述三種模式，而M27節點只出現第一種及第三種模式，即螺紋嚙合數減少1個時，M27承載力及剛度下降明顯，其抗彎性能對擰入誤差更為敏感.

圖10 高強螺栓不同擰入長度下彎矩-轉角曲線

[14]，本文取彈性階段彎矩與轉角呈線性關系的切線斜率為初始剛度Ki，節點達到極限狀態時對應的彎矩為極限彎矩Mu.三種節點在不同擰入長度下的初始剛度和極限彎矩見表6.可以看出，當螺紋嚙合數減少1個時，M20、M24節點極限彎矩下降20%左右，M27節點極限彎矩下降50%左右.當螺紋嚙合數減少1以上時，三種節點極限彎矩下降較大，均在50%左右.

表6 螺栓球節點彎矩-轉角曲線參數分析

3 抗拉性能分析

對于螺栓球節點來說，節點受壓時主要靠套筒受力，高強螺栓不受力.節點受拉時主要靠高強螺栓與球體嚙合部分受力，因此高強螺栓擰入長度不足會對節點抗拉性能產生較大影響[15].以下將對高強螺栓擰入長度不足時節點抗拉性能分析，分析模型見圖11.

圖11 有限元模型

3.1 工作機理及破壞模式

限于篇幅，本文以M20節點為例，通過分析發現，由于高強螺栓擰入長度的不同，螺栓球節點在拉力作用下存在兩種工作及破壞模式.

第一種為高強螺栓擰滿或輕微不足時的栓桿拉斷破壞，以M20-9節點為代表.圖12(a)、(b)為M20-9節點極限狀態下的應力云圖，可以看出，高強螺栓的栓桿區域完全進入極限狀態，其他部分只有局部點應力較高，均未進入極限狀態.節點破壞形式表現為高強螺栓的栓桿拉斷破壞，為延性破壞，極限荷載為277.32 kN.

第二種為高強螺栓擰入長度嚴重不足時的栓桿拔出破壞，以M20-5節點為代表.圖13(a)、(b)為M20-5節點極限狀態下的應力云圖，可以看出，隨著嚙合數的減少，各螺紋受力提升較多，最大應力出現在高強螺栓螺紋部分，其余構件均未達到極限狀態，這與文獻[16-17]中規律相同.節點破壞形式為高強螺栓螺紋失效的栓桿拔出破壞，為脆性破壞，極限承載力降低明顯，極限荷載為158.13 kN.

圖12 M20-9節點模擬云圖

圖13 M20-5節點模擬云圖

提取三種節點抗拉承載力見表7，可知三種節點在螺紋嚙合數減少的情況下承載力的發展規律相似，當螺紋嚙合數減少1個時節點仍發生高強螺栓的栓桿拉斷破壞.當螺紋嚙合減少2個以上時節點發生高強螺栓螺紋失效的栓桿拔出破壞.

3.2 荷載-位移曲線

繪制荷載-位移曲線見圖14，隨著高強螺栓擰入長度的減少，節點的極限荷載下降明顯，節點由延性破壞變成螺紋失效的脆性破壞.施工中應嚴格控制高強螺栓擰入螺紋個數，避免脆性破壞的發生.

表7 螺栓球節點抗拉承載力分析

圖14 高強螺栓不同擰入長度下位移-荷載曲線

Fig.14 Displacement-load curves of high-strength bolts under different inserted depth

3.3 抗拉承載力與高強螺栓擰入比例關系曲線

為了更好描述螺栓球節點抗拉承載力隨擰入比例的變化規律，采用線性擬合的方式對承載力與擰入比例進行數據處理，其擬合公式為

y=ax+b.

式中：y表示擰入長度不足時螺紋承載力與初始承載力的比值，%；x表示擰入比例，%；a、b為擬合常數.圖15為高強螺栓擰入比例與抗拉承載力之間的線性擬合圖,相關擬合公式的參數值a=-101.285,b=91.679.

圖15 高強螺栓擰入比例與抗拉承載力關系曲線

Fig.15 Relation curve of high-strength bolts’ inserted proportion and tensile bearing capacity

4 結 論

為掌握高強螺栓擰入長度不足對螺栓球節點受力性能的影響規律，本文對常用螺栓球節點不同擰入長度下的力學性能進行研究，得到如下結論：

1)建立了帶有螺紋的螺栓球節點精細化模型，并采用精細化模型對已有試驗進行模擬分析.結果表明，本文模型可以真實的考慮高強螺栓和螺栓球之間的螺紋嚙合傳力，能夠更好地模擬節點的受力性能，驗證了模擬的準確性.

2)通過模擬發現，隨著高強螺栓擰入長度的改變，節點在彎矩作用下主要存在三種工作及破壞模式，與之對應的彎矩-轉角曲線也存在三種狀態.當螺紋嚙合數減少1個時，M20、M24節點極限彎矩下降在20%左右，M27節點極限彎矩下降在50%左右，即螺紋嚙合數減少1個時，M27節點承載力及剛度下降更加明顯，其抗彎性能對擰入誤差更為敏感；當螺紋嚙合數減少1個以上時，三種節點極限彎矩下降較大，均在50%左右.高強螺栓擰入長度不足嚴重降低節點剛度及其極限承載力.

3)對高強螺栓擰入長度不足下螺栓球節點受拉性能的分析表明，節點主要存在兩種工作及破壞模式，當螺紋嚙合數減少1個以內時，節點發生高強螺栓栓桿拉斷的延性破壞；當螺紋嚙合數減少1個以上時，節點發生螺紋失效的脆性破壞.最后，通過線性擬合給出了螺栓球節點抗拉承載力降低比例與高強螺栓擰入比例的關系曲線，可為螺栓球節點擰入長度不足下的承載力快速評估與施工控制提供參考.

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(編輯趙麗瑩)

Studyoninfluencecausedbybolt-connectiondefectonmechanicalpropertiesofbolt-balljoint

WU Qiongyao1, WANG Huajie1,2, QIAN Hongliang1,2, HAN Kang1, FAN Feng2

(1.Department of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, Shandong, China; 2.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The bolt-ball joint, which have wide application in spatial lattice structure, have too many components, so the initial defect may be caused by the screw length insufficiency of the high-strength bolt during installation process. To study the effect of the defect on the mechanical properties of these joints, a sophisticated FEM simulation model of the bolt-ball joint with thread was calculated by ANSYS. The number of thread engagement was changed to simulate the screw length of high-strength bolt, and the simulation method was verified by existing experimental data. The flexural behavior of three common joints (M20, M24, M27) under different screw length was analyzed. The result shows that the bolt-ball joints mainly have three work and failure modes when the screw length is changed. The screw length insufficiency of the high-strength bolt significantly reduces stiffness and bearing capacity of the joint. The tensile property of three joints under different screw length was analyzed, and the deterioration law of the tensile bearing capacity and the possible failure modes were found. The curve which shows the relationship between the reduced proportion of the tensile bearing capacity and the screw length was given. This study can provide technical references for the construction control of the bolt-ball joint and the safety performance evaluation of the similar structure.

bolt-ball joint; bolt-connection defect; thread; bending stiffness; numerical simulation

10.11918/j.issn.0367-6234.201703115

TU393.3

A

0367-6234(2017)12-0053-07

2017-03-22

國家自然科學基金青年基金(51308154)；威海市科技發展計劃(2016DXGJMS03)；國家重點研發計劃(2016YFC0802003)

吳瓊堯(1992—)，男，碩士；

錢宏亮(1977—)，男，教授，博士生導師

王化杰，huajie_wang@hit.edu.cn