(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510006)

在鋼、鐵發(fā)展初期，鉚釘是主要的緊固件，但是其軸向力不能控制，所以不能用于設(shè)計(jì)計(jì)算。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，螺栓可以擰緊到足以抵抗滑動(dòng)，并且提供足夠的安全強(qiáng)度。螺栓的適用性逐漸得到關(guān)注后，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)編撰了第一本高強(qiáng)度螺栓材料暫行規(guī)范，允許在一比一的基礎(chǔ)上用螺栓代替鉚釘。隨著研究的進(jìn)展，德國(guó)、英國(guó)等都著手推進(jìn)螺栓在鋼結(jié)構(gòu)連接中的規(guī)范應(yīng)用。

螺栓可以分為普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓，其中，高強(qiáng)度螺栓分為承壓型和摩擦型兩類[1]。摩擦型僅依靠板間摩擦傳力，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為剪力不能超過(guò)板間摩擦力。承壓型則允許接觸面產(chǎn)生滑移，以連接達(dá)到破壞的極限承載力作為標(biāo)準(zhǔn)。螺栓的分類情況如表1所示。

表1 螺栓分類表

一、工作性能

按照螺栓的受力狀態(tài)，連接接頭可以分為三種情況：(1)抗剪連接；(2)抗拉連接；(3)拉剪組合連接。當(dāng)螺栓承受剪力作用時(shí)，如果荷載的作用線通過(guò)螺栓群的重心，則承受軸心剪力；反之為偏心剪力，會(huì)產(chǎn)生附加扭轉(zhuǎn)力矩，增加螺栓的剪應(yīng)力。

抗剪連接的形式主要有兩種：采用如圖1所示的搭板式拼接時(shí)，螺栓受單剪作用，容易引起彎曲應(yīng)力，故僅用于次要連接。在圖2所示的連接板拼接中，對(duì)稱的剪力面能夠防止板材出現(xiàn)彎曲，因此受力性能較好。

在實(shí)際工作中，對(duì)螺栓軸向擰緊后，會(huì)產(chǎn)生若干軸向力，能夠防止連接部件活動(dòng)或者螺帽松脫。但是普通螺栓中的摩擦阻力很小，大多數(shù)情況下螺栓會(huì)滑動(dòng)到承壓，表現(xiàn)為板件孔壁承受壓力，螺栓受剪。

圖1搭板式拼接圖2連接板拼接

二、有限元建模

隨著有限元的發(fā)展，使用有軟件建立模型，能夠模擬螺栓連接的受力情況。本文選擇試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象[2-4]，如圖3所示，建立了單顆普通螺栓連接板模型。其中，板件選用Q345級(jí)鋼，螺栓型號(hào)選用4.8級(jí)M20。上、下兩塊蓋板的外形尺寸規(guī)定為400mm×154mm×10mm，芯板的外形尺寸為500mm×154mm×12mm，孔徑比螺栓桿大2mm。根據(jù)規(guī)范的要求，端距e取值為66mm，邊距c取值為44mm。材性數(shù)據(jù)也根據(jù)規(guī)范取值。

圖3 普通螺栓連接板模型

在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，考慮到螺栓孔的變形較大，并且有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此在其周圍進(jìn)行了局部加密，提高計(jì)算精度。模型中的部件都采用C3D8R單元，能夠在較短的試件內(nèi)達(dá)到較高的計(jì)算精度。

本文在上、下兩塊蓋板的左端施加沿x、y、z三個(gè)方向的固定約束，在芯板右端施加水平方向的位移荷載，位移量為20mm，進(jìn)行受力分析。

三、結(jié)論

根據(jù)本文的方法，建立單螺栓連接板模型，得到位移—荷載曲線。在中國(guó)規(guī)范中，針對(duì)螺栓連接板的承壓荷載，給出了具體的公式。將兩者進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)承載力相差4.78%，在合理范圍之內(nèi)。

對(duì)試件的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，可以看到，受到外加荷載后，螺栓孔被拉長(zhǎng)發(fā)生塑性變形，板件孔壁出現(xiàn)比較明顯的應(yīng)力集中，與實(shí)際情況相符合。本文提出的螺栓連接的建模方法能夠較好地對(duì)受力性能模擬，并且由此進(jìn)行分析。