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票昶鄂
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1 第 39 卷第 1 期 2017 年 1 月南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNAL OF NANJING TECH UNIVERSITY ( Natural Science Edition) Vol.39 No.1 Jan doi: / j.issn 高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响付宜东, 陈烨, 毛泽亮, 朱文艳, 黄炳生 ( 南京工业大学土木工程学院, 江苏南京 ) 摘要 : 本文运用 ABAQUS 有限元软件对不同螺栓拧入深度的螺栓球节点进行了受拉承载全过程分析, 与受拉螺栓球节点试验结果的对比验证了计算模型的准确性有限元分析结果表明 : 不同的螺栓拧入深度, 螺栓球节点发生不同的破坏模式当螺栓拧入深度小于 0 94d(d 为螺栓直径 ) 时, 两者相互咬合接触的螺纹发生破坏, 且螺栓球节点的受拉承载力与螺栓拧入深度成正比当螺栓拧入深度不小于 0 94d 时, 高强螺栓受拉断裂破坏通过对有限元分析结果的拟合, 得到螺栓球节点受拉承载力与螺栓拧入深度的关系式关键词 : 螺栓球节点 ; 高强度螺栓 ; 拧入深度 ; 有限元分析 ; 受拉承载力中图分类号 : TU391 文章编号 : (2017) Effects of the screwed depth of high strength bolt to tension capacity of bolt sphere joint FU Yidong, CHEN Ye, MAO Zeliang, ZHU Wenyan, HUANG Bingsheng ( College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing , China) Abstract:The enough screwing depth can ensure the safety of grid structure. In this paper, ABAQUS finite element software was used to analysis the ultimate capacity of bolt sphere joint with the different depths of the bolt screwed into bolt sphere. The accuracy of the finite element calculation model was proved by comparing the test results and finite element analysis. The numerical results showed that two different failure modes can be obtained when the depth of bolt screwed into bolt sphere was different. When the depth of bolt screwed into bolt sphere was less than 0 94 times of bolt diameter, the contact screws of the bolt and bolt sphere were destroyed. The ultimate bearing capacity was proportional to the depth of bolt screwed bolt sphere. When the depth of bolt screwed into bolt sphere was no less than 0 94 times of bolt diameter, the high strength bolts was destroyed. The relationship between bearing capacity and the depth of bolt screwed bolt sphere fitted the numerical results. Key words: bolt sphere; high strength bolt; screwing depth; finite element analysis; tension bearing capacity 随着工业技术的进步和生活水平的提高, 人们对大跨度大空间结构建筑的需求不断增加空间收稿日期 : 作者简介 : 付宜东 (1989 ), 男, 江苏宿迁人, 硕士, 主要研究方向为钢结构 ; 黄炳生 ( 联系人 ), 教授,E mail:hsah8@ 126.com. 引用本文 : 付宜东, 陈烨, 毛泽亮, 等. 高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响 [J]. 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ),2017,39 (1):

第 1 期付宜东等 : 高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响 107 网格结构由于自重轻承载力高刚度大连接简便可靠易加工制作综合技术经济指标好等优点已在国内外得到广泛的推广和应用 [1] 螺栓球节点是双层空间网格结构中最常用的节点形式, 节点的安全可靠关系着结构的安全性连接各杆件的螺栓球节点由于施工时高强螺栓拧入深度不足导致安全隐患引发安全事故的案

[2] ;2008 年某发电厂干煤棚螺栓球节点网壳结构倒塌 [3], 现场调查表明网格竖向部分 3 5 m 高处有 19 个支座处螺栓球节点破坏, 部分高强螺栓从螺栓球中拔出拧入深度不足会导致网格结构倒塌造成严重 [4] 经济损失, 我国规范中规定设计时螺栓球节点中高强螺栓拧入深度 ξ 取 1 1d( d 为螺栓直径 ), 由于安装施工等误差造成拧入深度 ξ<1 1d 时, 螺栓球

2 第 1 期付宜东等 : 高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响 107 网格结构由于自重轻承载力高刚度大连接简便可靠易加工制作综合技术经济指标好等优点已在国内外得到广泛的推广和应用 [1] 螺栓球节点是双层空间网格结构中最常用的节点形式, 节点的安全可靠关系着结构的安全性连接各杆件的螺栓球节点由于施工时高强螺栓拧入深度不足导致安全隐患引发安全事故的案例不在少数例如 :2005 年 4 月 10 日, 西北地区某工程屋面网格结构由于施工单位在工程施工期间高强螺栓假拧紧导致高强螺栓从螺栓球中拔出, 网架坍塌 [2] ;2005 年 7 月 8 日, 正在建设中的内蒙古新丰热电项目主厂房球形网壳结构突然坍塌, 事后分析原因, 发现部分高强螺栓未按照规范完全拧入螺栓球中, 导致高强螺栓从螺栓球中挣脱出来, 相互接触的螺纹受拉破坏 [2] ;2008 年某发电厂干煤棚螺栓球节点网壳结构倒塌 [3], 现场调查表明网格竖向部分 3 5 m 高处有 19 个支座处螺栓球节点破坏, 部分高强螺栓从螺栓球中拔出拧入深度不足会导致网格结构倒塌造成严重 [4] 经济损失, 我国规范中规定设计时螺栓球节点中高强螺栓拧入深度 ξ 取 1 1d( d 为螺栓直径 ), 由于安装施工等误差造成拧入深度 ξ<1 1d 时, 螺栓球节点能否安全使用未见相关文献 [5-8] 本文运用 ABAQUS 有限元软件对不同螺栓拧入深度的螺栓球节点进行受拉承载全过程分析, 得到不同螺栓拧入深度的螺栓球节点的受拉承载力 1 有限元建模为了与试验对比, 本文选取 3 组螺栓球节点试件进行有限元分析, 试件由高强螺栓和螺栓球组成第 1 组试件为由 M20 高强螺栓和直径 100 mm 的螺栓球组成, 第 2 组试件为 M24 高强螺栓和直径 100 mm 的螺栓球组成, 第 3 组试件由 M30 高强螺栓和直径 120 mm 的螺栓球组成, 每组试件设置 3 种拧入深度, 拧入深度 ξ 分别为 0 8d 0 9d 和 1 0d 1 1 几何模型采用 ABAQUS 软件建立螺栓球节点有限元计算模型, 螺栓球和高强螺栓均采用三维的实体模型, 由于建立真实的螺旋上升的螺纹计算不易收敛, 为此采取在螺栓和螺栓球上设置平面齿形螺纹, 该螺纹围绕中心轴旋转 360, 建立的模型如图 1 和图 2 所示, 这种简化模型与真实的螺旋上升模型最大计算误差仅 1% [9] 为了减少计算工作量, 利用对称性, 按 1 / 2 螺栓球节点建模计算图 1 高强螺栓模型 Fig.1 High strength bolts model 图 2 螺栓球模型 Fig.2 Bolt sphere model 1 2 参数输入高强螺栓和螺栓球材料采用 40Cr 和 45 号优质碳素钢加工而成高强螺栓材料的抗拉强度 (f u ) 和屈服强度 (f y ) 取试样的试验结果,M20 M24 高强螺栓的抗拉强度和屈服强度分别为 f u = N / mm 2 f y = N / mm 2,M30 高强螺栓抗拉强度和屈服强度分别为 f u = N / mm 2 f y = N / mm 2, 螺栓球材料的力学性能参考文献 [10] 中数据, 取抗拉强度和屈服强度分别为 f u = N / mm 2 f y = N / mm 2, 高强螺栓和螺栓球弹性模量取 E = 206 kn / mm 2 高强螺栓和螺栓球本构关系均简化为二折线模型 1 3 边界条件高强螺栓和螺栓球螺纹处按面面方式相互接触, 切向摩擦系数取 0 3 [10], 法向设置为硬接触螺栓球对称面处边界条件设置为完全约束, 即约束沿 X Y Z 轴方向位移和绕 X Y Z 轴转动的 6 个自

１０８南京工业大学学报自然科学版第３９卷由度高强螺栓受拉一端采用位移控制建立好的节点约束条件见图３图５Ｆｉｇ５

Ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ网格划分及单元类型选中整个螺栓球节点设置全局种子数为４见图４考虑螺纹处布置全局种子自动划分网格不易收敛计算

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由图８可见有限元荷载Ｆ位移曲线与试验曲线形态一致从表１中可知有限元相比试验极限承载力大３０的正确性

3 １０８南京工业大学学报自然科学版第３９卷由度高强螺栓受拉一端采用位移控制建立好的节点约束条件见图３图５Ｆｉｇ５图３Ｆｉｇ３１４局部种子数为２０红线所示Ｌｏｃａｌｓｅｅｄｎｕｍｂｅｒｗａｓ２０ｒｅｄｌｉｎｅｓｈｏｗｎ边界约束Ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ网格划分及单元类型选中整个螺栓球节点设置全局种子数为４见图４考虑螺纹处布置全局种子自动划分网格不易收敛计算故对螺栓球节点螺纹处的种子进行加密设置设置螺纹交接处的螺栓外径和凹槽处螺栓内径局部种子个数分别为２０和１６个见图５和６网格依据布置的种子进行体单元自动划分考虑节点为三维模型及螺纹处易收敛计算单元类型设置为十节点二次四面体即Ｃ３Ｄ１０划分后的螺栓球节点见图７图４Ｆｉｇ４２全局种子数为４的模型Ｍｏｄｅｌｏｆｗｉｔｈ４ｇｌｏｂａｌｓｅｅｄｓ图６Ｆｉｇ６局部种子数为１６红线所示Ｌｏｃａｌｓｅｅｄｎｕｍｂｅｒｗａｓ１６ｒｅｄｌｉｎｅｓｈｏｗｎ图７Ｆｉｇ７网格划分Ｍｅｓｈｉｎｇ有限元结果与分析９３误差在合理范围之内从而验证了有限元模型不同螺栓不同的拧入深度的螺栓球节点受拉承模型为理想材料１１１２试验试件存在初始缺陷１３载力有限元分析结果见表１和图８由图８可见有限元荷载Ｆ位移曲线与试验曲线形态一致从表１中可知有限元相比试验极限承载力大３０的正确性进一步分析两者误差的原因可知有限元计算结果分析表明不同的高强螺栓拧入深度螺栓球节点的受拉破坏模型不同高强螺栓拧入深度 ξ ０９ｄ时高强螺栓与螺栓球螺纹咬合破

第 1 期付宜东等 : 高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响 109 Table 1 表 1 螺栓球节点极限承载力 The ultimate bearing capacity of bolt sphere M20 极限承载力 / kn M24 极限承载力 / kn M30 极限承载力 / kn ξ 有限元式 (1) 有限元式 (1) 有限元式 (1) 1 00d 294 3

70d 197 1 197 4 266 3 266 9 422 0 422 7 0 60d 168 4 169 2 227 9 228 7 359 4 362 3 0 50d 141 2 141 0 190 0 190 6 302 0 301 9 0 40d 112 8 112 8 151 0 152 5 239 2 241 5 Fig.

4 第 1 期付宜东等 : 高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响 109 Table 1 表 1 螺栓球节点极限承载力 The ultimate bearing capacity of bolt sphere M20 极限承载力 / kn M24 极限承载力 / kn M30 极限承载力 / kn ξ 有限元式 (1) 有限元式 (1) 有限元式 (1) 1 00d d d d d d d d d Fig.8 图 8 螺栓球节点荷载位移曲线 Load displacement curve of bolt sphere joint 坏, 螺栓从球内拔出导致螺栓球节点丧失受拉承载力 ; 拧入深度 ξ 1 0d 时, 高强螺栓在螺栓球切削面处达到承载力导致螺栓球节点受拉破坏由于 M20 M24 和 M30 螺栓球节点应力云图表现出的规律一致, 只截取 M20 螺栓球节点应力云图, 见图 9, 从图 9( a) 和图 9( b) 中可以看出 : 螺栓和螺栓球图 9 螺栓球节点应力云图 Fig.9 stress cloud of the bolt sphere joint

5 110 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 39 卷相互接触的螺纹处网格单元先屈服进入塑性状态, 高强螺栓从螺栓球中拔出从图 9( c) 中可以看出 : 高强螺栓螺杆网格单元受拉屈服, 高强螺栓受拉破坏为进一步分析两种破坏模型的分界点和不同高强螺栓拧入深度螺栓球节点受拉承载力, 对每组试件继续计算拧入深度为 0 40d 0 50d 0 60d 0 70d 0 93d 0 94d 时的承载力, 计算结果见表 1 从表 1 中可以看出 : 当螺栓拧入深度 ξ = 0 94d 时, 螺栓球节点承载力与 ξ = 1 0d 时的节点承载力相当, 螺栓受拉断裂破坏 ; 当螺栓拧入深度 ξ = 0 93d 时, 节点承载力明显小于 ξ 0 94d 时的节点承载力, 螺栓从球内拔出破坏从图 10 可以看出, 当螺栓拧入深度 ξ<0 94d 时, 节点极限承载力值与拧入深度几乎呈线性关系对拧入深度 ξ < 0 94d 时的螺栓球节点有限元分析所得承载力用 Origin 软件进行公式拟合, 拟合结果见图 10,3 种高强螺栓的拟合曲线公式可统一为式 (1), 其拟合优度为 0 971, 不同高强螺栓拧入深度的螺栓球节点承载力拟合曲线见图 11 承载力式 (1) 的计算值与有限元结果对比见表 1, 从表 1 中可看出有限元数值与式 (1) 结果十分接近, 表明拟合出的螺栓球节点承载力表达式精度很好 F = 0 962ξF 0 ξ < 0 94d { (1) ξ 0 94d F 0 式中 : 拧入深度系数 ξ = h / d,h 是高强螺栓拧入螺栓球深度,F 0 为单个高强螺栓极限抗拉承载力图 10 不同规格螺栓球节点拟合曲线 Fig.10 Curve fitting of bolt sphere joint of different specifications 3 结论 1) 当螺栓拧入深度 ξ 0 94d 时, 螺栓球节点发图 11 螺栓球节点拟合曲线 Fig.11 Curve fitting of bolt sphere joint 生高强度螺栓受拉断裂破坏, 当螺栓拧入深度不足 0 94d 时, 高强螺栓从螺栓球中拔出为保证螺栓球受拉节点的安全性, 螺栓拧入深度建议应不小于螺栓直径 2) 当螺栓拧入深度不足 0 94d 时, 不同螺栓拧入深度的螺栓球节点极限承载力随着拧入深度的减少呈线性降低 3) 本文给出的螺栓球节点极限承载力拟合式能较好地反映螺栓球节点不同螺栓拧入深度时节点受拉极限承载力参考文献 : [ 1 ] 刘锡良. 中国空间网格结构三十年的发展 [ J]. 工业建筑, 2013,43(5):103. [ 2 ] 郝成新, 钱基宏, 宋涛. 网架事故原因分析 [ J]. 工程质量, 2009,27(4):61. [ 3 ] 易贤仁, 陈绍元, 司敏. 发电厂干煤棚螺栓球节点网架节点破坏分析 [ J]. 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ), 2009, 26 (3):71. [ 4 ] 中国建筑科学研究院. 空间网格结构技术规程 :JGJ [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010. [ 5 ] DAVOODI M R, PASHAEI M H, MOSTAFAVIAN S A. Experimental study of the effects of bolt safety on the behavior of MERO type double layer grids[ J].International journal associate shell spat structure,2007,48(1):45. [ 6 ] PASHAEI M H, DAVOODI M R, NOOSHIN H. Effects of tightness of bolts on the damping of a MERO type double layer grids[ J].International journal space structure,2006,21(2):103. [ 7 ] MAKOWSKI Z S. Analysis, design and construction of double layer grids[ M].London:Applied Science Publishers Ltd,1981. [ 8 ] COLLINS J A.Failure of materials in mechanica design[m].new York:Wiley,1981. [ 9 ] 刘丽君. 螺栓球节点网架用高强螺栓的疲劳影响因素及缺口效应分析 [D]. 山西 : 太原理工大学,2003. ( 下转第 119 页 )

Fig. 1 1 The sketch for forced lead shear damper mm 45 mm 4 mm 200 mm 25 mm 2 mm mm Table 2 The energy dissip

Fig. 1 1 The sketch for forced lead shear damper mm 45 mm 4 mm 200 mm 25 mm 2 mm mm Table 2 The energy dissip * - 1 1 2 3 1. 100124 2. 100124 3. 210018 - ABAQUS - DOI 10. 13204 /j. gyjz201511033 EXPERIMENTAL STUDY AND THEORETICAL MODEL OF A NEW TYPE OF STEEL-LEAD DAMPING Shen Fei 1 Xue Suduo 1 Peng Lingyun 2 Ye