一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節點力學性能研究

謝坤明

(福建省永正工程質量檢測有限公司 福建福州 350012)

0 引言

鋁合金材料具有材質輕、耐久性強、延性好和能夠回收利用等優點，滿足綠色建筑要求[1]。由于受鋁合金材料特性所限，當鋁合金采用焊接連接時，會大幅度削減鋁合金強度[2-4]。因此，目前鋁合金結構中常用的還是鉚釘連接，但鉚釘連接節點存在剛度低的問題，這限制了鋁合金結構的發展。文獻[5]通過對6061-T6鋁合金高強螺栓連接節點進行研究，驗證了高強螺栓在鋁合金節點中的適用性，并得出了鋁合金角型件強度較低，會導致節點整體承載力不高的結論。

研究表明，在角鋼上焊接加勁肋能夠提高節點的剛度[6]。因此，對于強度和剛度不足的角鋼高強螺栓連接節點可以通過在角鋼上焊接加勁肋來提升節點的強度和剛度，但在角鋁上焊接加勁肋，反而會致使鋁合金角型件強度進一步削弱。考慮到鋁合金易于軋制成型的優點，提出采用一體成型的加勁肋鋁合金角型件的高強螺栓連接節點，并對其力學性能進行研究。

為了探究加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節點的受力性能，有限元數值模型中鋁合金6061-T6材性采用文獻[7]中建議的Ramberg-Osgood模型，在同文獻[5]進行比對驗證基礎上，建立了一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節點有限元數值模型，針對不同加勁肋厚度進行力學性能分析，以期為鋁合金結構連接節點提供設計思路。

1 有限元建模

采用Abaqus有限元軟件對鋁合金角型件高強螺栓連接節點進行建模，模型采用實體單元中的C3D8R單元，確保求解精度。法向接觸和切向接觸分別采用“硬接觸”和庫倫摩擦，摩擦系數取0.3。網格劃分是模型建立的重點，由于模型涉及到螺栓、板件開孔和角型件，網格劃分很容易出現扭曲和不規則，使模型無法計算，通過對螺栓口和扭曲處網格進行細化，使網格規整化，對于角型件厚度方向至少設置3個網格單元點[8]。8.8級直徑12 mm的高強螺栓屈服強度和抗壓強度分別取680 MPa和840 MPa，彈性模量取20 600 MPa，極限應變為0.1。6061-T6鋁合金材料的本構采用Ramberg-Osgood模型，見式(1)。

(1)

式中，ε為應變，σ為應力，E為原點處彈性模量，n為應變硬化參數，f0.2為名義屈服強度。

n值計算采用Steinhardt所提出的近似計算式，如式(2)：

n=f0.2/10

(2)

由式(1)，式(2)計算所得材料應力-應變本構曲線如圖1所示。

圖1 本構曲線

高強螺栓預緊力的施加采用Abaqus有限元軟件提供的螺栓荷載，根據《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[9]，8.8級M12高強螺栓預緊力取48.5 kN，預緊力按照文獻[10]提供的步驟進行施加，荷載采用位移加載方式。建模采用的截面參數見表1，有限元數值模型如圖2所示。

表1 構件參數

(a)邊界條件和荷載施加

(b)網格劃分圖2 有限元數值模型

2 模型驗證

為了驗證有限元數值模型的準確性，通過采用圖2所示有限元模型與文獻[5]中的鋁合金角型件高強螺栓連接節點進行擬合，試驗和有限元數值模型力-位移曲線對比如圖3所示，試驗數據和有限元數值模型承載力對比見表2，從圖3和表2中反映的情況來看，有限元數值模型擬合的準確度高，同試驗所得鋁合金高強螺栓連接節點承載力誤差僅為0.01%，因此可以在此數值模型基礎上，進行一體成型加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節點力學性能研究。

圖3 力-位移曲線對比

表2 數據對比

3 節點受力分析

3.1 一體成型鋁合金加勁肋角型件

通過在角型件上焊接加勁肋能夠提高連接節點強度與剛度，還能減少角型件厚度，達到經濟適用效果。鋼結構中常規角型件焊接加勁肋辦法在鋁合金角型件上無法適用，且存在鋼材會和鋁合金材料發生反應的問題，使得加勁肋角鋼無法在鋁合金連接節點上應用[11]。考慮到鋁合金有易于一體成型的優點，設計一體成型鋁合金加勁肋角型件如圖4所示。

圖4 一體成型鋁合金加勁肋角型件

通過一體成型的鋁合金加勁肋角型件，避免了焊接對鋁合金材料造成損傷。基于第2小節的節點有限元數值模型基礎上，分別建立了加勁肋厚度為3 mm、5 mm、7 mm的一體成型鋁合金加勁肋角型件，研究不同加勁肋厚度對鋁合金角型件高強螺栓連接節點受力性能的影響。有限元數值模型如圖5所示。

3.2 承載力對比和應力云圖分析

通過有限元數值模型計算的一體成型加勁肋鋁合金角型件高強螺栓連接節點力-位移曲線數據對比圖如圖6所示，模型所得承載力數據如表3所示。

圖6 節點力-位移曲線對比

表3 節點承載力

從圖6和表3中可看出，鋁合金角型件增加加勁肋后，節點承載力得到了顯著提高，厚度從0增加到5 mm時，節點承載力從33.2 kN增加到了36.5 kN，增幅高達10%。隨著加勁肋厚度的增加，節點承載力也逐漸提升，當加勁肋厚度從0 mm增加到3 mm時，節點承載力提升了5.1%，當加勁肋厚度從3 mm增加到5 mm時，節點承載力提升了4.6%，當加勁肋厚度從5 mm增加到7 mm時，節點承載力提升了0.5%，相較于加勁肋厚度從3 mm增加5 mm時，提升并不明顯。由此可知，一體成型的鋁合金加勁肋角型件能夠提高節點承載力和剛度，且隨著加勁肋厚度提升，節點承載力和剛度也會相應提升，不同厚度角型件會有最優的加勁肋厚度，當加勁肋厚度達到最優時，節點承載力提升幅度最高，且最經濟適用。以本算例為例，厚度為10 mm的鋁合金角型件，最適合的加勁肋厚度為5 mm。有限元數值模型計算所得一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節點應力云圖如圖7所示。

(a)無加勁肋

(b)有加勁肋

文獻[5]中鋁合金角型件高強螺栓連接節點試驗可見其破壞性是由角型件長肢端折角處控制的，從應力云圖7(a)中可看出，該處也是角鋁應力最大處。從應力云圖7(b)反映的情況來看，一體成型的加勁肋能夠很好地傳遞長肢端和短肢端之間的應力，從而減小角鋁折角處應力集中的情況，達到提升承載力的效果。

4 結論

本文通過建立有限元數值模型，在驗證有限元模型準確度的前提下，提出一體成型鋁合金加勁肋角型件，并根據不同角型件厚度進行節點受力分析，得出以下結論：

(1)一體成型鋁合金加勁肋角型件能夠提高連接節點承載力，鋁合金角型件增加了5 mm加勁肋后，節點承載力從33.2 kN提升到了36.5 kN，增幅10%。

(2)隨著加勁肋厚度的提升，一體成型鋁合金加勁肋角型件高強螺栓連接節點承載力和剛度也逐漸提高。

(3)在一定范圍內加勁肋厚度的變化對節點影響顯著，以本文算例為例，當加勁肋厚度達到5 mm后，加勁肋厚度的提升對節點影響不再明顯，繼續增加加勁肋厚度，只會造成材料浪費。

(4)從應力云圖反映的情況來看，一體成型的加勁肋能夠很好地傳遞角型件長肢端和短肢端之間的應力，減少折角處應力集中的情況，達到提升節點承載力的效果。