门式刚架端板连接螺栓受力性能分析

曹杰，穆丹丹，李琳

(1．承德石油高等专科学校建筑工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等专科学校机械工程系，河北承德067000)

门式刚架端板连接螺栓受力性能分析

曹杰1，穆丹丹2，李琳1

(1．承德石油高等专科学校建筑工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等专科学校机械工程系，河北承德067000)

门式刚架设计过程中极其重要的环节是节点的设计。而传统的端板厚度计算公式是利用端板屈服极限平衡原理推出的，假设端板为平面刚性板，螺栓的受力计算模型与实际受力存在偏差。基于此问题利用ANSYS建模，通过受力分析比较规范螺栓计算模型，在此次基础上提出了更加切合实际的螺栓受力计算公式。首先使螺栓计算受力更加吻合螺栓的实际工作状态;其次提高了端板厚度确定的准确性，从而改善门式刚架的整体稳定性。

门式刚架;节点;端板;螺栓

门式刚架设计过程中极其重要的环节是节点的设计［1］，是决定门式刚架的整体性稳定性、刚塑性的关键因素。端板连接着梁和柱，它的变形能协调和缓解梁柱的变形，避免其过早破坏。而端板厚度计算公式是利用端板屈服极限平衡原理推出的，假设端板为平面刚性板［2］，而ANSYS模拟的结果与传统计算方法存在偏差。本文在ANSYS分析的基础上改进了规范中节点域腹板强度检验理论，提出了螺栓受力计算模型。

1　试件设计

以跨度21 m、柱距5 m、檐高8 m、坡度为1/10的单层轻钢门式刚架厂房为研究载体［3］，选取梁长1．0m、柱高1．6 m、端板厚20mm的试件作为ANSYS分析模型。试件尺寸如图1、表1、表2所示。

表1　基本试件梁柱明细表

表2　螺栓明细表

2　ANSYS模拟分析

2．1约束施加

在柱底施加X、Y、Z三个方向的位移约束，柱顶预先施加Z方向的约束;梁的自由端施加X、Y方向约束，将梁端平面藕合，平动模拟Z方向的位移［4，5］，如图2所示。

柱翼缘板和端板、螺栓孔与螺栓杆间以及端板和螺帽相互间的接触面接触采用TARGE170单元和CONTA174单元模拟，如图3所示。

2．2螺栓Mises应力

施加单调荷载直到试件破坏得到试件应力云图(见图4、图5)。图4、图5中显示端板、翼缘板均发生了变形，螺栓长度方向的变性明显，特别是第四排螺栓沿长度方向受力很不均匀，这是由于端板的变形，产生较大的挠曲作用。

从螺栓沿螺杆长度方向应力分布图(见图6)中可见，四排螺栓的最大应力分别为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。我国现行规范中假定端板连接为刚性连接，端板绕中心轴线发生平面转动，第一排螺栓承受拉力最大，两者差异较大。

3　螺栓受力新型计算模型

轻钢规程中端板厚度计算公式中螺栓拉力Nt采用了螺栓的设计拉力。而螺栓拉力又以三角形应力分布的方法计算。拉力Nt的计算与ANSYS模拟的结果存在偏差，这就导致按端板厚度计算公式所得的端板比实际要厚。也就是说，节点端板厚度的确定直接受螺栓的受力计算影响。

根据上述分析，提出更加符合实际情况的螺栓应力计算模型见图7、图8。

以受压翼缘中心作为端板转动中心，以第二排螺栓的名义拉力作为螺栓最大拉力进行设计，各螺栓名义拉力无加劲肋可按式(1)～(4)计算;有加劲肋按式(5)计算。计算公式如下:

其中

式中:yi—转动中心到螺栓中心的距离，mm;M—设计弯矩，kN·m;m、n—螺栓列数和排数。

4　结论

利用ANSYS建模，分析门式刚架端板连接的受力性能，通过比较发现传统的端板厚度计算公式是利用端板屈服极限平衡原理推出的，螺栓的应力计算与实际受力不符。在ANSYS分析的基础上改进了规范中节点域腹板强度检验理论，提出了新型螺栓受力计算模型。首先保证螺栓设计更加符合实际工作状态;其次为确定端板厚度提供准确参数，从而改善节点的受力性能，加强结构的整体性、稳定性。

［1］朱海宁．轻型钢结构建筑构造设计［M］．南京:东南大学出版社，2003．

［2］曹杰．轻钢门式刚架梁柱连接节点受力性能研究［D］．西安:西安科技大学，2009．

［3］曹杰，穆丹丹．基于层次分析法和灰色关联理论的住宅性能评价［J］．承德石油高等专科学校学报，2010，12(4):67－68．

［4］荆军，王元清，石永久．门式刚架轻型钢结构端板连接节点性能研究与设计［J］．建筑结构，2000(4):26－28．

［5］施刚．门式刚架轻型房屋钢结构端板连接的有限元与试验分析［J］．土木工程学报，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

承德市科研项目(门式刚架新型节点抗震性能研究):20132147

2014-10-31

曹杰(1980－)，男，山东德州人，承德石油高等专科学校建筑工程系讲师，硕士，一级建造师，主要研究方向为钢结构设计、工程造价管理。