張石波,王榮輝,黃永輝,劉小剛

(華南理工大學 土木與交通學院,廣州 510640)

高強螺栓摩擦型連接已成為鋼橋的主要連接形式。對高強度螺栓接頭已作了大量研究工作,主要集中在高強度螺栓材質選擇,制造工藝、摩擦面噴涂材料、噴涂工藝及摩擦系數(shù)試驗、接頭的疲勞強度等方面,接頭的螺栓數(shù)多在5排以下。文獻[1]指出,1965年美國W.Fisher等對多排承壓型高強度螺栓接頭進行了研究,對于多排螺栓的長接頭,給出了螺栓平均剪切強度的折減計算方法。1985年,日本馬場賢三等進行了6、12、18排M30高強度螺栓的接頭試驗,以全面滑移為極限狀態(tài),認為多排螺拴的連接中不可斷定螺栓排數(shù)增多平均承載力一定降低。對于高強度螺栓摩擦型接頭(簡稱HSFG接頭)使用極限狀態(tài)工作特點及分析,需進一步研究,尤其是多排高強螺拴的長列接頭。l982年于瑞士洛桑國際橋梁與結構工程論文討論會上,關于該種接頭應力集中情況,中國工程師提出一個分析,認為當接頭沿受力方向螺栓排數(shù)增多時,其應力集中系數(shù)接近帶孔板的應力集中系數(shù)3.0。

隨著有限元方法與計算機軟硬件的發(fā)展,越來越多的學者采用有限元數(shù)值模擬方法來研究高強螺栓的傳力特性。但目前的文獻多集中于研究建筑結構上常用的梁柱節(jié)點的數(shù)值模擬[2-6],這些節(jié)點與橋梁結構中的長列螺栓摩擦型連接接頭不太一致,其螺栓數(shù)目少,受力特點也不相同。文獻[7]采用有限元分析軟件中約束方程的方法,對造橋機高強螺栓群進行了有限元計算分析,其拼接板件采用板殼單元模擬,螺栓采用桿單元模擬,無法得到栓孔附近以及摩擦面的應力狀態(tài)。文獻[8]通過非線性有限元分析研究了荷載水平、螺栓排數(shù)和螺栓間距等因素對頭排螺栓傳力比的影響,其研究的內容僅限于螺栓的傳力比。文獻[9]采用ANSYS軟件建立了考慮接觸狀態(tài)的三維有限元實體模型,對鋼桁橋長列高強螺栓群優(yōu)選布置進行了研究。該文將采用三維有限元實體單元模擬的方式,對長列螺栓群連接接頭的傳力特點與應力狀態(tài)進行了細致的分析,得到了螺栓傳力比,栓孔應力集中系數(shù),螺栓應力狀態(tài)以及孔前傳力系數(shù)等一系列重要的設計參數(shù)取值范圍。

1 工程背景

在建的東莞市東江大橋主橋是1座雙層公路橋,上層為莞深高速公路,布置雙向6車道,下層為北五環(huán)路,為城市快速路,布置雙向8車道。主橋跨徑布置為(112m+208m+112m)[10],為雙層剛性懸索加勁三跨連續(xù)鋼桁梁橋,采用焊接整體節(jié)點和節(jié)點外拼接技術,上下平聯(lián)節(jié)點板以及橫梁接板均與節(jié)點板焊成整體,主桁分節(jié)段在橋梁廠預制,主桁一個節(jié)段長16m,各節(jié)段之間以及節(jié)點各附屬結構與大節(jié)點板之間均采用高強螺栓連接。高強度螺栓采用20mnTiB,螺母采用15mnVB,墊圈采用45號鋼,高強螺栓的型號有M24,M30等。為驗證主桁上下弦桿各節(jié)點高強螺栓連接的可靠性,對高強螺栓連接在最不利荷載組合作用下的受力特性進行了有限元數(shù)值模擬。圖1為東江大橋節(jié)點編號圖。

圖1 東江大橋節(jié)點編號圖

2 模型的建立

采用通用有限元軟件ANSYS進行模擬計算,連接板及高強螺栓均采用Solid45實體單元建模,拼接板與芯板之間的接觸面采用Conta173接觸單元模擬,高強螺栓的預拉力通過預應力單元Prets179單元施加[11],由于拼接板和芯板的剛度都較大,應選取足夠大的接觸剛度以保證接觸面無穿透,此處采用程序默認值即可達到要求,接觸算法采用罰函數(shù)法。各有螺栓連接接頭有限元模型采用一端固定,另一端施加面荷載(應力)的方式來施加荷載,荷載按成橋在恒載+活載作用下的最大值取值(由空間梁單元計算結果提供)。該文共計算了14個節(jié)點高強螺栓拼接接頭模型,各模型施加的荷載值如表1所列,各模型除E12,E14采用Q420qC鋼材外,其余均采用Q370qC鋼材。模型按不同方式分類可分為以下幾種類型,有填板模型和無填板模型;有通人孔模型和無通人孔模型;單層拼接板模型和疊合拼接板模型,螺栓連接接頭有限元模型如圖2所示。螺栓全部采用10.9S級M 30螺栓,設計預拉力為360 kN,螺栓采用20mnTiB鋼材,設計規(guī)范要求板間摩擦系數(shù)μ≥0.45,有限元模擬時,摩擦系數(shù)取最小值0.45。高強螺栓的材料屬性按規(guī)范(GB 3077-1999)[12]取值,Q420qC、Q370qC鋼材材料屬性按規(guī)范(GB/T 714-2000)[13]取值。

表1 各模型施加荷載值

圖2 有限元模型

3 結果分析

主要對以下內容進行分析:1)高強螺栓的傳力比分布規(guī)律;2)栓孔應力集中系數(shù);3)螺栓的正應力及剪應力狀態(tài);4)孔前傳力系數(shù)。

3.1 螺栓傳力比匯總

栓接接頭在承受外力時,每排螺栓所傳遞的外力與全部螺栓所傳遞的總外力之比稱為傳力比,若N排螺栓均勻傳力,則每排螺栓的傳力比為1/N。表2為各節(jié)點各排螺栓的傳力比匯總,β表示傳力比,數(shù)字下標表示螺栓排號。圖3為節(jié)點E12,E14各排螺栓傳力比柱狀圖。

表2 各節(jié)點各排螺栓傳力比匯總

圖3 螺栓傳力比圖

由圖3可知,各排螺栓的傳力比均呈馬鞍型分布,頭尾幾排的傳力比較大,而中間幾排螺栓的傳力比很小。而頭尾2排螺栓的傳力比就其大小來看,一般都是頭排螺栓(遠離拼接接頭一端)的傳力比更大,末排(拼接蓋板中部)較小,呈不對稱分布。A13,A14,A15節(jié)點第2排螺栓的傳力比要大于第一排螺栓的傳力比,這主要是因為構造的原因,在A13,A14,A15節(jié)點拼接接頭中,頭排只布置有4個螺栓,而第2排布置有8個螺栓,因此,頭排傳力的軸力小于第2排。

另外由表2可知,對于不同螺栓排數(shù)的接頭,其頭排螺栓傳力比不盡相同,大體的趨勢是:在保證螺栓未發(fā)生滑移前,頭排螺栓的傳力比隨螺栓排數(shù)的增加而減少,螺栓排數(shù)越少,頭排螺栓的傳力比越大,由頭排螺栓傳遞的軸力也就越大。中國《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB10002.2-2005)[14]規(guī)定,當雙抗滑面連接的螺栓排數(shù)超過6排時,第1排螺栓的傳力比按0.30驗算。在這里,根據(jù)本文數(shù)值模擬結果,當雙抗滑面連接的螺栓排數(shù)超過9排時,第1排螺栓的傳力比才是0.30左右,當螺栓排數(shù)為6排時,第1排螺栓傳力比為0.45左右,如果仍按0.30驗算,連接接頭的安全系數(shù)將可能得不到保證。

3.2 芯板最大縱向應力及應力集中系數(shù)比較

由于開孔的影響,將在栓孔邊產(chǎn)生一定程度的應力集中,應力集中系數(shù)由栓孔邊的最大應力除以栓孔截面平均應力得到,即k=σmax/ˉσ。表3為芯板最大縱向應力及應力集中系數(shù)匯總,由表可知,栓孔邊應力集中系數(shù)最小為1.078,最大為1.564。無填板節(jié)點的栓孔邊應力集中系數(shù)比較平均,其數(shù)值在1.3～1.5之間,平均值約為1.40。對于有填板節(jié)點,由于填板的影響,栓接接頭兩端的芯板厚度不一致,兩板的應力水平也不一致,并且,按該文方式加載將有微量的偏心,產(chǎn)生彎曲應力,導致其孔邊應力集中系數(shù)離散性較大,這與填板的厚度有較大關系。

表3 芯板最大縱向應力及應力集中系數(shù)比較

續(xù)表3

3.3 螺栓正應力及剪應力比較

表4為螺栓正應力與剪應力匯總,20mnTiB 10.9s級高強度螺栓的設計正應力642.1mPa,設計剪應力為370.2mPa[4]。由圖4可知,受壓節(jié)點的螺栓最大正應力普遍大于設計應力,受拉節(jié)點的螺栓最大正應力普遍小于設計應力。這是因為:對于受壓節(jié)點,由于桿件被壓縮導致螺栓被拉長,使得螺栓預拉力增大,相當于螺栓“超擰”,對于受拉節(jié)點則相反。因此,在工程中應該充分考慮壓,拉節(jié)點的螺栓“超擰”與“欠擰”現(xiàn)象。由圖5直觀的看到,所有節(jié)點螺栓的剪應力均小于設計剪應力,滿足要求。

表4 螺栓正應力與剪應力匯總

續(xù)表4

圖4 各節(jié)點螺栓正應力柱狀圖

圖5 各節(jié)點螺栓剪應力柱狀圖

3.4 孔前傳力比較

當采用摩擦型高強螺栓的對接連接時,構件的內力是依靠連接板件間的摩擦力傳遞的,如圖6所示,假設構件承受的拉壓力為N,一進入連接蓋板范圍就開始由摩擦力傳給蓋板。對構件來說,危險截面仍然是第一排螺栓處,該處的內力較大,且有栓孔削弱。與普通螺栓連接不同的是,每個螺栓引起的摩擦力可認為均勻分布螺栓四周,而在栓孔之前就傳走了一部分力,孔前傳走的這部分力占總傳遞力的比值即為孔前傳力系數(shù),具體計算公式為:(NN′)/N。西德是最早研究孔前傳力系數(shù)的國家,早在1963年、1974年的規(guī)范中就明確規(guī)定,在拉力構件設計時,用凈截面積計算,孔前傳力系數(shù)按40%取值。在中國的《鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)程》(JGJ 82-91)[15]中式(2.2.4-1)中規(guī)定對于普通鋼構件,孔前傳力系數(shù)按0.5計算。表4為各節(jié)點孔前傳力系數(shù)匯總,由表可知,由有限元數(shù)值模擬得到的孔前傳力系數(shù)比較平均,其值在45%～53%之間,孔前傳力系數(shù)采用0.5是合適的。

圖6 高強度螺栓的孔前傳力

表5 各節(jié)點孔前傳力系數(shù)匯總

續(xù)表5

4 結論

通過東江大橋14個節(jié)點高強螺栓拼接接頭的有限元數(shù)值模擬,得到以下主要結論:

1)中國《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB10002.2-2005)規(guī)定,當雙抗滑面連接的螺栓排數(shù)超過6排時,第1排螺栓的傳力比按0.30驗算,根據(jù)文中數(shù)值模擬結果,當雙抗滑面連接的螺栓排數(shù)超過9排時,第1排螺栓的傳力比才是0.30左右,當螺栓排數(shù)為6排時,第1排螺栓傳力比為0.45左右,如果仍按0.30驗算,連接接頭的安全系數(shù)將可能得不到保證。

2)由于開孔的影響,在栓孔邊均存在一定程度的應力集中,孔邊應力集中系數(shù)比較平均,其數(shù)值在1.3～1.5之間,平均值為1.4。設計時為保守起見,可取應力集中系數(shù)k=1.5。

3)對于受壓節(jié)點,由于桿件被壓縮導致螺栓被拉長,使得螺栓預拉力增大,相當于螺栓“超擰”,對于受拉節(jié)點則相反。因此,在工程中應該充分考慮壓,拉節(jié)點的螺栓“超擰”與“欠擰”現(xiàn)象。

4)由有限元數(shù)值模擬得到的孔前傳力系數(shù)比較平均,其值在45%～53%之間,孔前傳力系數(shù)采用0.5是合適的。

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[12]中華人民共和國國家標準.GB/T 3077-1999合金結構鋼[S].1999.

[13]中華人民共和國國家標準.GB/T 714-2000橋梁用結構鋼[S].2000.

[14]中華人民共和國行業(yè)標準TB 1002.2-99鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范[S].2000.

[15]中華人民共和國行業(yè)標準.JGJ 82-91鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)程.1992.