螺栓连接建模方法和受剪性能分析

(广州大学 广东 广州 510006)

在钢、铁发展初期，铆钉是主要的紧固件，但是其轴向力不能控制，所以不能用于设计计算。后来人们发现，螺栓可以拧紧到足以抵抗滑动，并且提供足够的安全强度。螺栓的适用性逐渐得到关注后，美国材料试验协会编撰了第一本高强度螺栓材料暂行规范，允许在一比一的基础上用螺栓代替铆钉。随着研究的进展，德国、英国等都着手推进螺栓在钢结构连接中的规范应用。

螺栓可以分为普通螺栓和高强度螺栓，其中，高强度螺栓分为承压型和摩擦型两类[1]。摩擦型仅依靠板间摩擦传力，设计准则为剪力不能超过板间摩擦力。承压型则允许接触面产生滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为标准。螺栓的分类情况如表1所示。

表1 螺栓分类表

一、工作性能

按照螺栓的受力状态，连接接头可以分为三种情况：(1)抗剪连接；(2)抗拉连接；(3)拉剪组合连接。当螺栓承受剪力作用时，如果荷载的作用线通过螺栓群的重心，则承受轴心剪力；反之为偏心剪力，会产生附加扭转力矩，增加螺栓的剪应力。

抗剪连接的形式主要有两种：采用如图1所示的搭板式拼接时，螺栓受单剪作用，容易引起弯曲应力，故仅用于次要连接。在图2所示的连接板拼接中，对称的剪力面能够防止板材出现弯曲，因此受力性能较好。

在实际工作中，对螺栓轴向拧紧后，会产生若干轴向力，能够防止连接部件活动或者螺帽松脱。但是普通螺栓中的摩擦阻力很小，大多数情况下螺栓会滑动到承压，表现为板件孔壁承受压力，螺栓受剪。

图1搭板式拼接图2连接板拼接

二、有限元建模

随着有限元的发展，使用有软件建立模型，能够模拟螺栓连接的受力情况。本文选择试验节点为研究对象[2-4]，如图3所示，建立了单颗普通螺栓连接板模型。其中，板件选用Q345级钢，螺栓型号选用4.8级M20。上、下两块盖板的外形尺寸规定为400mm×154mm×10mm，芯板的外形尺寸为500mm×154mm×12mm，孔径比螺栓杆大2mm。根据规范的要求，端距e取值为66mm，边距c取值为44mm。材性数据也根据规范取值。

图3 普通螺栓连接板模型

在划分网格的时候，考虑到螺栓孔的变形较大，并且有应力集中的现象，因此在其周围进行了局部加密，提高计算精度。模型中的部件都采用C3D8R单元，能够在较短的试件内达到较高的计算精度。

本文在上、下两块盖板的左端施加沿x、y、z三个方向的固定约束，在芯板右端施加水平方向的位移荷载，位移量为20mm，进行受力分析。

三、结论

根据本文的方法，建立单螺栓连接板模型，得到位移—荷载曲线。在中国规范中，针对螺栓连接板的承压荷载，给出了具体的公式。将两者进行对比，发现承载力相差4.78%，在合理范围之内。

对试件的应力云图进行分析，可以看到，受到外加荷载后，螺栓孔被拉长发生塑性变形，板件孔壁出现比较明显的应力集中，与实际情况相符合。本文提出的螺栓连接的建模方法能够较好地对受力性能模拟，并且由此进行分析。