钢结构T形连接高强度螺栓受力分析及数值模拟

　　摘要：为了分析钢结构T形连接高强度螺栓受力性能，对10个不同构造参数的T形连接件进行试验及有限元研究，比较T形件构造参数变化对高强度螺栓力学性能的影响，并对高强度螺栓受力进行数值模拟。结果表明：螺栓直径、翼缘板厚度及螺栓间距等构造参数变化对T形件连接高强度螺栓受力产生不同程度的影响，设计中可根据具体情况选择最优的构造形式；高强度螺栓除受到撬力的影响外，还受到弯矩的影响；根据试验数据拟合的高强度螺栓拉力及弯矩的半经验计算公式计算值与试验结果吻合良好，可供工程应用参考。
　　关键词：钢结构；T形连接；高强度螺栓；受力分析；数值模拟；弯矩
　　中图分类号：TU392.4文献标志码：A
　　Abstract： In order to study the mechanical behavior of high strength bolts in Tstub connections of steel structure， experiment and finite element analysis of 10 specimens with difference configuration parameters were carried out， influences of configuration parameters of Tstub connections on mechanical behavior of high strength bolts were compared， and numerical simulation of force of high strength bolt was presented. The results show that the configuration parameters such as diameter of bolt， thickness of flange plate and pitch of bolts have different influences on the mechanical behavior of high strength bolts， constructional types of Tstub connections should be selected according to specific situations. Prying force and bending moment affect mechanical behavior of high strength bolts. Semiempirical fitting formulas of tensile force and bending moment of high strength bolts achieved by experimental data agree well with the test results. The research conclusions can be used as reference for the engineering application.
　　Key words： steel structure； Tstub connection； high strength bolt； force analysis； numerical simulation； bending moment
　　0引言
　　钢结构梁柱端板连接节点具有安装便捷、受力性能优良、抗震性能好等优点，在钢框架结构中得到广泛应用，通常简化为T形连接进行设计[12]。
　　早期各国主要围绕T形连接破坏形式及撬力计算等方面展开研究[313]，近期施刚等[14]、暴伟等[15]通过端板连接及铸钢T形连接的试验研究分析了螺栓拉力模型，结果表明受拉螺栓还受到弯矩的影响。目前中国现行钢结构设计规范未给出考虑弯矩影响的受拉螺栓设计公式，各国学者对T形连接受拉螺栓弯矩影响的研究还处于起步阶段，缺乏足够的试验数据及理论分析资料。为深入研究T形连接高强度螺栓受力机理，本文进行了10个足尺T形连接试件试验，研究了T形连接各构造参数变化对高强度螺栓拉力及弯矩的影响，并进行了受拉高强度螺栓在弯矩作用下的数值模拟，研究结果可为T形连接构造设计及受拉高强度螺栓精细化设计分析提供参考。
　　1试验试件及装置
　　螺栓杆应变随外加荷载变化曲线如图5所示，其中，Nt为外加荷载产生的单个螺栓拉力，μ为螺栓杆应变。从图5可以看出，各试件螺栓杆应变趋势基本一致。加载初期螺栓杆应变较小，基本等于螺栓预拉力产生的应变。达到转折点后随着外荷载增加，应变迅速增大，此时螺栓杆内出现撬力，使得应变剧增。由图5（a）可见，加载初期，高强度螺栓直径d增大对螺栓杆应变基本无影响，当Nt大于120 kN时，2个试件曲线逐渐发生分离，螺栓直径d越大，螺栓杆应变越小。由图5（b）可见，T形件翼缘板厚度t增大，螺栓杆应变逐渐减小，主要是因为翼缘板厚度增大，其刚度随之增强，弯曲变形逐渐减小，撬力作用减弱，螺栓杆应变减小。
　　图11为各试件有限元及试验螺栓拉力与外加荷载Nt曲线比较。由图11可见，试验和有限元曲线吻合良好，试验和ANSYS有限元分析结果的可靠性、准确性均得到了进一步验证。
　　从图11还可以看出，各组试件有限元分析及试验研究所得到的螺栓拉力随外加荷载Nt变化的曲线基本吻合，曲线发展形状和走势有较好的一致性。加载初期，螺栓拉力基本等于预拉力，由于试验试件存在一定应力松弛现象，导致试验试件螺栓拉力略低于有限元值。外加荷载Nt达到50 kN左右时，曲线开始上扬，螺栓拉力增大，可见此时T形件翼缘开始出现弯曲变形。随着Nt继续增加，试验和有限元曲线趋于吻合，由于试验受外界因素及人为因素影响而存在一定误差，加载后期试验螺栓拉力值略大于有限元值。
　　   当Nt相同时，随着翼缘板厚度增加，螺栓拉力呈减小趋势，增加翼缘板厚度可以减小其相对变形，降低螺栓拉力中撬力作用的影响；增大螺栓直径d和螺栓间距n，螺栓拉力均呈明显增加的趋势，螺栓直径增大时，螺栓预拉力及承载力相应增大，故螺栓拉力较大。当n增大时，螺栓向偏离T形件腹板的外侧移动，对翼缘板的约束作用减弱，翼缘板变形增加，撬力作用增强，螺栓拉力增大。螺栓排列间距参数m，g，s改变对螺栓拉力略有影响，但不明显，各试件曲线基本重合。
　　综上可见：随翼缘板厚度t增加，弯曲变形减小，使螺栓的受拉性能得到有效改善；增大螺栓直径d，螺栓预拉力和承载力均增大，故螺栓拉力较大；增大螺栓间距n导致翼缘板弯曲变形增加，对螺栓受力不利，故建议在满足施工构造的条件下，尽量选用较小的螺栓间距n；改变螺栓排列间距参数m，g，s对其受力性能影响甚微，故可按构造选取最小值。
　　3数值模拟
　　根据试验数据进行数值模拟分析，拟合高强度螺栓拉力及弯矩的半经验计算公式，可为工程设计提供参考。
　　3.1高强度螺栓拉力数值拟合
　　3.2高强度螺栓杆受弯矩作用影响
　　T形件翼缘弯曲变形产生了撬力Q影响的同时，对螺栓头产生不均匀的挤压作用，螺栓杆内外侧不均匀压力C1，C2产生偏心，则螺栓杆内除了拉力Pf（包括外加荷载引起的荷载Nt和撬力Q），还受到弯矩M的影响（图14）。
　　根据高强度螺栓两侧应变片数据，可计算弹性阶段螺栓杆弯矩，如图15所示。图15中取高强度螺栓外加荷载Nt=50 kN时的弯矩。
　　从图15可以看出，翼缘厚度t和螺栓直径d对高强度螺栓弯矩影响最显著。翼缘厚度t增加，弯矩降低，螺栓直径d增加，弯矩增大。螺栓间距m变化对弯矩影响甚微，螺栓间距n增加，弯矩减小，螺栓间距g，s增加，弯矩均有所增加。可见螺栓排列间距变化对其弯矩有一定影响。
　　4结语
　　（1）在加载初期，T形连接螺栓拉力基本保持预拉力不变，当外荷载达到50 kN左右时，翼缘板出现弯曲变形，螺栓拉力由于撬力作用显著增加。
　　（2）螺栓直径d和翼缘板厚度t增加可有效减缓螺栓杆应变增大的发展，螺栓间距n，g变化对螺栓应变影响较m，s更为显著。n宜取较小值，g宜取较大值。m，s对螺栓应变影响甚微，可按构造要求取较小值。
　　（3）根据试验数据拟合了高强度螺栓拉力半经验公式（5），并与现行规范计算结果进行比较。结果表明，公式（5）计算结果与试验结果吻合更好，能较好模拟试验试件高强度螺栓拉力实际作用情况。
　　（4）根据试验结果分析了T形连接高强度螺栓弯矩影响因素，翼缘板厚度与螺栓直径对高强度螺栓弯矩影响最显著，螺栓间距对高强度螺栓弯矩产生一定影响。根据试验数据拟合了高强度螺栓弯矩作用半经验公式（10）。
　　参考文献：
　　References：
　　[1]EN 199318：2008，Eurocode 3：Design of Steel Structures.Part 1.8：Design of Joints[S].
　　[2]American Institute of Steel Construction.Manual of Steel Construction[R].Chicago：AISC，2003.
　　[3]楼国彪，李国强，雷青.钢结构高强度螺栓端板连接研究现状（Ⅰ）[J].建筑钢结构进展，2006，8（2）：821，36.
　　LOU Guobiao，LI Guoqiang，LEI Qing.Recent Developments in the Behavior and Design of Highstrength Bolted Endplate Connections（Ⅰ）[J].Progress in Steel Building Structures，2006，8（2）：821，36.
　　[4]SWANSON J A，LEON R T.Bolted Steel Connections：Test on Tstub Components[J].Journal of Structural Engineering，2000，126（1）：5056.
　　[5]SWANSON J A，LEON R T.Stiffness Modeling of Bolted Tstub Connection Components[J].Journal of Structural Engineering，2001，127（5）：498505.
　　[6]PILUSO V，FAELLA C，RIZZANO G.Ulitimate Behavior of Bolted Tstubs.I：Model Validation[J].Journal of Structural of Structural Engineering，2001，127（6）：686693.
　　[7]PILUSO V，FAELLA C，RIZZANO G.Ulitimate Behavior of Bolted Tstubs.II：Model Validation[J].Journal of Structural of Structural Engineering，2001，127（6）：694704.
　　[8]RAEBEL C H，DESIMONE R G，MEIER A M.Effects of Bolt Spacing on Prying Forces in WT Connections[C]//ANUMBA C J，MEMARI A M.Proceedings of 2013 Architectural Engineering National Conference：Building Solutions for Architectural Engineering.State College：ASCE，2013：745754.