一体成型铝合金加劲肋角型件高强螺栓连接节点力学性能研究

谢坤明

(福建省永正工程质量检测有限公司 福建福州 350012)

0 引言

铝合金材料具有材质轻、耐久性强、延性好和能够回收利用等优点，满足绿色建筑要求[1]。由于受铝合金材料特性所限，当铝合金采用焊接连接时，会大幅度削减铝合金强度[2-4]。因此，目前铝合金结构中常用的还是铆钉连接，但铆钉连接节点存在刚度低的问题，这限制了铝合金结构的发展。文献[5]通过对6061-T6铝合金高强螺栓连接节点进行研究，验证了高强螺栓在铝合金节点中的适用性，并得出了铝合金角型件强度较低，会导致节点整体承载力不高的结论。

研究表明，在角钢上焊接加劲肋能够提高节点的刚度[6]。因此，对于强度和刚度不足的角钢高强螺栓连接节点可以通过在角钢上焊接加劲肋来提升节点的强度和刚度，但在角铝上焊接加劲肋，反而会致使铝合金角型件强度进一步削弱。考虑到铝合金易于轧制成型的优点，提出采用一体成型的加劲肋铝合金角型件的高强螺栓连接节点，并对其力学性能进行研究。

为了探究加劲肋铝合金角型件高强螺栓连接节点的受力性能，有限元数值模型中铝合金6061-T6材性采用文献[7]中建议的Ramberg-Osgood模型，在同文献[5]进行比对验证基础上，建立了一体成型铝合金加劲肋角型件高强螺栓连接节点有限元数值模型，针对不同加劲肋厚度进行力学性能分析，以期为铝合金结构连接节点提供设计思路。

1 有限元建模

采用Abaqus有限元软件对铝合金角型件高强螺栓连接节点进行建模，模型采用实体单元中的C3D8R单元，确保求解精度。法向接触和切向接触分别采用“硬接触”和库伦摩擦，摩擦系数取0.3。网格划分是模型建立的重点，由于模型涉及到螺栓、板件开孔和角型件，网格划分很容易出现扭曲和不规则，使模型无法计算，通过对螺栓口和扭曲处网格进行细化，使网格规整化，对于角型件厚度方向至少设置3个网格单元点[8]。8.8级直径12 mm的高强螺栓屈服强度和抗压强度分别取680 MPa和840 MPa，弹性模量取20 600 MPa，极限应变为0.1。6061-T6铝合金材料的本构采用Ramberg-Osgood模型，见式(1)。

(1)

式中，ε为应变，σ为应力，E为原点处弹性模量，n为应变硬化参数，f0.2为名义屈服强度。

n值计算采用Steinhardt所提出的近似计算式，如式(2)：

n=f0.2/10

(2)

由式(1)，式(2)计算所得材料应力-应变本构曲线如图1所示。

高强螺栓预紧力的施加采用Abaqus有限元软件提供的螺栓荷载，根据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[9]，8.8级M12高强螺栓预紧力取48.5 kN，预紧力按照文献[10]提供的步骤进行施加，荷载采用位移加载方式。建模采用的截面参数见表1，有限元数值模型如图2所示。

表1 构件参数

(a)边界条件和荷载施加

(b)网格划分图2 有限元数值模型

2 模型验证

为了验证有限元数值模型的准确性，通过采用图2所示有限元模型与文献[5]中的铝合金角型件高强螺栓连接节点进行拟合，试验和有限元数值模型力-位移曲线对比如图3所示，试验数据和有限元数值模型承载力对比见表2，从图3和表2中反映的情况来看，有限元数值模型拟合的准确度高，同试验所得铝合金高强螺栓连接节点承载力误差仅为0.01%，因此可以在此数值模型基础上，进行一体成型加劲肋铝合金角型件高强螺栓连接节点力学性能研究。

图3 力-位移曲线对比

表2 数据对比

3 节点受力分析

3.1 一体成型铝合金加劲肋角型件

通过在角型件上焊接加劲肋能够提高连接节点强度与刚度，还能减少角型件厚度，达到经济适用效果。钢结构中常规角型件焊接加劲肋办法在铝合金角型件上无法适用，且存在钢材会和铝合金材料发生反应的问题，使得加劲肋角钢无法在铝合金连接节点上应用[11]。考虑到铝合金有易于一体成型的优点，设计一体成型铝合金加劲肋角型件如图4所示。

图4 一体成型铝合金加劲肋角型件

图5 铝合金加劲肋角型件高强螺栓连接节点

通过一体成型的铝合金加劲肋角型件，避免了焊接对铝合金材料造成损伤。基于第2小节的节点有限元数值模型基础上，分别建立了加劲肋厚度为3 mm、5 mm、7 mm的一体成型铝合金加劲肋角型件，研究不同加劲肋厚度对铝合金角型件高强螺栓连接节点受力性能的影响。有限元数值模型如图5所示。

3.2 承载力对比和应力云图分析

通过有限元数值模型计算的一体成型加劲肋铝合金角型件高强螺栓连接节点力-位移曲线数据对比图如图6所示，模型所得承载力数据如表3所示。

图6 节点力-位移曲线对比

表3 节点承载力

从图6和表3中可看出，铝合金角型件增加加劲肋后，节点承载力得到了显著提高，厚度从0增加到5 mm时，节点承载力从33.2 kN增加到了36.5 kN，增幅高达10%。随着加劲肋厚度的增加，节点承载力也逐渐提升，当加劲肋厚度从0 mm增加到3 mm时，节点承载力提升了5.1%，当加劲肋厚度从3 mm增加到5 mm时，节点承载力提升了4.6%，当加劲肋厚度从5 mm增加到7 mm时，节点承载力提升了0.5%，相较于加劲肋厚度从3 mm增加5 mm时，提升并不明显。由此可知，一体成型的铝合金加劲肋角型件能够提高节点承载力和刚度，且随着加劲肋厚度提升，节点承载力和刚度也会相应提升，不同厚度角型件会有最优的加劲肋厚度，当加劲肋厚度达到最优时，节点承载力提升幅度最高，且最经济适用。以本算例为例，厚度为10 mm的铝合金角型件，最适合的加劲肋厚度为5 mm。有限元数值模型计算所得一体成型铝合金加劲肋角型件高强螺栓连接节点应力云图如图7所示。

(a)无加劲肋

(b)有加劲肋

文献[5]中铝合金角型件高强螺栓连接节点试验可见其破坏性是由角型件长肢端折角处控制的，从应力云图7(a)中可看出，该处也是角铝应力最大处。从应力云图7(b)反映的情况来看，一体成型的加劲肋能够很好地传递长肢端和短肢端之间的应力，从而减小角铝折角处应力集中的情况，达到提升承载力的效果。

4 结论

本文通过建立有限元数值模型，在验证有限元模型准确度的前提下，提出一体成型铝合金加劲肋角型件，并根据不同角型件厚度进行节点受力分析，得出以下结论：

(1)一体成型铝合金加劲肋角型件能够提高连接节点承载力，铝合金角型件增加了5 mm加劲肋后，节点承载力从33.2 kN提升到了36.5 kN，增幅10%。

(2)随着加劲肋厚度的提升，一体成型铝合金加劲肋角型件高强螺栓连接节点承载力和刚度也逐渐提高。

(3)在一定范围内加劲肋厚度的变化对节点影响显著，以本文算例为例，当加劲肋厚度达到5 mm后，加劲肋厚度的提升对节点影响不再明显，继续增加加劲肋厚度，只会造成材料浪费。

(4)从应力云图反映的情况来看，一体成型的加劲肋能够很好地传递角型件长肢端和短肢端之间的应力，减少折角处应力集中的情况，达到提升节点承载力的效果。