鞠曉臣，田 越

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

鋼梁長圓孔螺栓變形性研究

鞠曉臣，田 越

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

長圓孔高強螺栓連接不同于普通的螺栓連接，它可以有效改善所連接鋼梁的縱向變形性能，避免次彎矩的產(chǎn)生，從而降低梁體的應(yīng)力應(yīng)變。長圓孔螺栓的工作性能跟鋼梁翼緣與墊塊之間的摩擦有密切的聯(lián)系，摩擦越嚴(yán)重，越不利于梁端的縱向移動。除了跟摩擦有關(guān)外，外力荷載，溫度荷載，車輛沖擊荷載等也會影響鋼梁的縱向移動。本文首先根據(jù)鋼梁端長圓孔變形受力機理提出了長圓孔高強螺栓變形的計算公式，然后結(jié)合有限元模擬分析對變形性能做了進(jìn)一步的分析和驗證，最后對現(xiàn)役鋼橋中的長圓孔螺栓連接進(jìn)行了試驗研究，并對長圓孔螺栓變形工作性能進(jìn)行了實際評估。

長圓孔高強螺栓 變形性能 摩擦 溫度 沖擊荷載

在橋梁工程中，為了減小支承端對梁端沿縱向伸縮移動的限制，支承段采用如圖1所示的長圓孔變形性螺栓，螺栓可以在長圓孔內(nèi)滑動［1］。長圓孔螺栓既可以有效地限制梁端的橫向和豎向位移，又保證梁端可以沿著縱向伸縮移動，使由于縱向變形受限制而產(chǎn)生的次彎矩減小，從而避免支承端連接處嚴(yán)重的應(yīng)力集中。導(dǎo)致鋼梁梁端伸縮移動因素有多種，包括外部力荷載、溫差、車輛沖擊等，同時螺栓預(yù)緊力以及鋼梁與支承墊塊的摩擦等一些被動因素也會對移動產(chǎn)生一些阻礙［2-4］。

圖1 梁端支承處長圓孔螺栓

長圓孔變形性螺栓的工作性能良好，可以保證鋼梁端伸縮移動的順暢，使鋼梁處于較小的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。然而在實際工程中，很難保證長圓孔變形性螺栓在長時間內(nèi)都保持良好的工作性能，比如由于時間的累積長圓孔處灰塵堆積，以及雨雪導(dǎo)致的銹蝕等，將使得梁端不能順暢地移動。一旦鋼梁不能順暢移動，勢必引起受力體系變化，鋼墊塊支座接觸的下翼緣板處會產(chǎn)生較大的內(nèi)力或局部應(yīng)力。此外，鋼墊塊材質(zhì)通常為鑄鋼，硬度較高，縱梁材質(zhì)通常卻硬度較低，如果移動受限使兩者長期接觸，將導(dǎo)致鋼梁的接觸處形成一個“刻槽”，造成應(yīng)力集中，萌生疲勞裂紋。圖2為現(xiàn)役鋼橋中檢測到的長圓孔螺栓附近產(chǎn)生的貫通裂紋。目前針對長圓孔螺栓所出現(xiàn)的問題研究較少，因此，為了確定長圓孔的工作以及破壞原理，有必要進(jìn)行深入的研究。

圖2 長圓孔處貫通裂縫

本文將針對可能影響長圓孔螺栓變形性能的因素，推導(dǎo)變形位移的計算公式以及進(jìn)行有限元模擬分析。其中影響因素包括:支座與梁之間的摩擦以及螺栓與梁的摩擦對于變形性的影響，荷載幅度對于變形性的影響，溫度荷載對變形性影響等。最后對現(xiàn)役鋼橋長圓孔螺栓進(jìn)行現(xiàn)場試驗，結(jié)合所得試驗數(shù)據(jù)，分析查明長圓孔附近出現(xiàn)病害的原因。

1 變形性能理論公式推導(dǎo)

上述提到，影響長圓孔螺栓變形性能的因素較多，除了鋼梁、螺栓以及墊塊本身的材料屬性引起的幾種部件之間的摩擦接觸以外，還有外部豎向力荷載、溫差以及車輛沖擊荷載等。

根據(jù)這些影響因素，結(jié)合力學(xué)原理，圖3給出了長圓孔螺栓鋼梁的變形簡化示意圖，由示意圖可知梁端位移公式為

式中:ΔL為梁端最終位移;ΔLT為溫差引起梁伸縮導(dǎo)致的梁端位移;ΔLN為荷載引起梁彎曲變形導(dǎo)致的梁端位移;ΔLFri為摩擦阻止的位移。

圖3 長圓孔螺栓鋼梁變形示意

其中溫差引起梁伸縮導(dǎo)致的梁端位移為

式中:α為線膨脹系數(shù);ΔT為溫度差;L+L1為鋼梁總長度。

根據(jù)彈性力學(xué)［5］，梁在彎曲狀態(tài)下的X向應(yīng)變?yōu)?/p>

式中:ΔLNx為彎曲導(dǎo)致的梁的單位增加長度;LNx為單位梁長;ΔLN為彎曲導(dǎo)致的梁的增加長度;Mx為任意截面處的彎矩;E為彈性模量;I為梁截面慣性矩。

摩擦力大小與壓力有關(guān)，按照圖4所示進(jìn)行摩擦力的求解，梁端與支座間的壓力為

摩擦力為

圖4 彎矩

車輛快速行駛導(dǎo)致的沖擊荷載，可以簡化為沿著梁縱向的一個外力，這個外力導(dǎo)致的梁端縱向變形位移值，與鋼梁本身材料屬性、豎向荷載的幅值，以及鋼梁和支承墊塊摩擦情況有關(guān)(在公式推導(dǎo)中忽略此項的推導(dǎo))。本推導(dǎo)模型為簡支梁，其它形式的鋼梁如連續(xù)梁等原理相同。

2 數(shù)值模擬長圓孔螺栓

2.1 有限元模型

有限元模型依據(jù)現(xiàn)役大橋中采用的長圓孔螺栓建立，如圖5所示。鋼梁高度為400 mm，工字形截面，其中上下翼緣板寬度240 m，厚度20 mm，腹板高度360 mm(400-20×2)，厚度20 mm，鋼梁長度為4 000 mm，螺栓半徑為24 mm?；诮Y(jié)構(gòu)和施加的荷載的對稱性，采用Abaqus通用有限元軟件，取模型的1/4進(jìn)行有限元分析。有限元單元采用8節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式實體單元(C3D8I)。梁端下翼緣底面與墊塊上表面以及螺栓與長圓孔表面和梁端下翼緣上表面分別建立接觸。鋼材彈性模量E=210 000 MPa，泊松比μ=0.3，線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5。工字形鋼梁的1/4斷面為相應(yīng)的對稱約束，墊塊底面固定。

圖5 有限元模型

2.2 數(shù)值變量

由于要分析研究摩擦對變形性的影響，所以采用多種摩擦系數(shù)進(jìn)行比較，摩擦系數(shù)β取值范圍為0～0.5。外力荷載通過面荷載形式施加，為了考慮荷載幅度對變形的影響，荷載施加范圍為4～40 MPa，荷載位置如圖5所示。溫度荷載變化范圍為20℃～50℃。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 摩擦力影響

支座與鋼梁下翼緣的摩擦以及螺栓與螺栓孔的摩擦對鋼梁的縱向移動有重要的影響，摩擦力過大會限制鋼梁的縱向移動。在相同的荷載下，接觸表面光滑無摩擦?xí)r，梁端可以自由地縱向移動，但是當(dāng)接觸面之間有摩擦?xí)r，梁端的縱向移動幅度明顯減小。通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著摩擦系數(shù)的增加，縱向移動越來越小，但是隨著摩擦系數(shù)的增加，縱向位移減小的速度放緩。

圖6 摩擦系數(shù)與梁端縱向位移關(guān)系

3.2 荷載幅度影響

為了研究荷載幅度對于變形性的影響，荷載分10步施加在模型上，摩擦系數(shù)為0.1，分析記錄每一步的變形情況(圖7)。由于墊塊是固定的，螺栓固定在墊塊上，所以墊塊和螺栓的位移非常小，而鋼梁隨著荷載幅度的增加沿Z向移動越來越明顯，通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，Z向位移隨荷載步的變化呈線性增加。

圖7 位移與荷載幅度的關(guān)系

3.3 銹蝕狀態(tài)下的受力狀態(tài)

有限元分析中，溫度變化從20℃到50℃，鋼梁長度2 m，線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5。在理想的無摩擦的狀態(tài)下，鋼梁的伸縮長度是0.72 mm，即梁端位移為0.72 mm。然而實際工程中由于梁端下翼緣與墊板之間存在摩擦，梁端位移會受到摩擦力的阻礙，使得梁端應(yīng)力有一定增加。

此外，由于時間的累積長圓孔處灰塵堆積以及雨雪導(dǎo)致的銹蝕，一方面降低了縱梁端部的抗疲勞性能，另一方面由于堵塞銹蝕，使得縱梁喪失了縱向移動性能，導(dǎo)致梁端的應(yīng)力集中。如圖8所示，梁端的縱向移動被限制時，墊塊與縱梁下翼緣接觸區(qū)域附近有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是因為梁端與墊塊完全連接，在鋼梁接觸處形成一個較大的負(fù)彎矩區(qū)。另外，鑄鋼與鋼梁下翼緣的接觸處形成的刻槽，以及銹蝕造成的缺陷，使此處的應(yīng)力集中更加明顯。隨著荷載的長期循環(huán)，最終導(dǎo)致梁端長圓孔附近裂縫的產(chǎn)生。

圖8 完全銹蝕情況下梁端應(yīng)力集中(單位:MPa)

4 長圓孔螺栓性能試驗

4.1 試驗內(nèi)容

由于在某現(xiàn)役鋼橋長圓孔螺栓附近檢測到了一系列的疲勞裂紋，為了明確長圓孔螺栓工作性能，查明導(dǎo)致疲勞裂紋的原因，對現(xiàn)役鋼橋長圓孔螺栓進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究。試驗包括靜應(yīng)力和動應(yīng)力測試兩部分。應(yīng)變片布置在長圓孔附近的鋼梁下翼緣的上下表面，距離支承墊塊縱向距離10 mm。靜力試驗中采用30 t的三軸載重汽車。在靜載試驗中加載位置如圖9所示:加載車輛橫向位置，一側(cè)車輪正好壓在縱梁上;縱向位置，中間軸在縱梁跨中。動載試驗中，在正常通行的狀態(tài)下，對長圓孔附近應(yīng)力進(jìn)行為期24 h的實時監(jiān)控，記錄下應(yīng)力歷程。

圖9 加載車位置

4.2 試驗結(jié)果

靜力試驗中，鋼梁翼緣的上下表面距離支承墊塊縱向距離10 mm的四點的縱向應(yīng)變值在-53×10-6～25×10-6之間。圖10顯示了實時監(jiān)控結(jié)果，在實時監(jiān)控試驗中，測得的最大應(yīng)變?yōu)?7.56×10-6，相比靜力試驗應(yīng)變增加幅度較大，可見車輛沖擊對長圓孔附近應(yīng)力有一定的影響。但實際上應(yīng)變值依然較小，導(dǎo)致疲勞斷裂的可能性很低。

圖10 實時監(jiān)控結(jié)果

試驗中所選取的長圓孔螺栓測量位置為無銹蝕、工作性能完好的點，所測的應(yīng)力值在較小的范圍內(nèi)。因此確認(rèn)，只要長圓孔在正常工作狀態(tài)下，并不容易產(chǎn)生疲勞裂紋。實際上，鋼橋檢測中所發(fā)現(xiàn)的裂紋基本上在銹蝕以及塵土堆積嚴(yán)重，使有效截面減小，及長圓孔附近變形性能下降導(dǎo)致受力形態(tài)發(fā)生改變，最終致使應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞斷裂裂紋。

5 結(jié)論

相比豎向外力荷載，溫度荷載對長圓孔變形產(chǎn)生的影響較大。應(yīng)盡量減小長圓孔鋼梁端部與墊塊之間的摩擦，保持梁端較好的移動條件。長圓孔的銹蝕以及孔內(nèi)的塵土堆積會改變長圓孔附近的受力形態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力集中。沖擊荷載對長圓孔附近的應(yīng)力有一定影響，但是只要保證長圓孔螺栓良好的工作性能，沖擊荷載不足以對長圓孔附近產(chǎn)生破壞。

［1］馬人樂，李淵，梁峰，等.鋼管混凝土梁柱長圓孔變型性高強螺栓節(jié)點抗震性能試驗研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2010，12 (6):25-31.

［2］AISC.ANSI/AISC 360—10 Specification for Structural Steel Buildings［S］.Chicago:American Institute of Steel Construction，2010.

［3］張慶芳，張志國.美國2005鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中關(guān)于螺栓連接的計算［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2006，21(6):78-80.

［4］李星榮，魏才昂，丁峙琨，等.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］徐芝綸.彈性力學(xué)簡明教程［M］.3版.北京:高等教育出版社，2001.

Research on deformability of bolt with slotted hole for steel girder

JU Xiaochen，TIAN Yue
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

High strength bolt connection with slotted hole(HSBC-SH)，different from that for common round holes，can improve the deformation performance along the horizontal direction of steel beam effectively，and avoid secondary bending moment.Thus，it can decrease the stress and strain of the steel beam.The deformation performance of HSBC-SH is closely related to the friction between the bottom flange of the steel beam and heel block.This friction is detrimental to the longitudinal movement at the beam end.In addition，external force loading，temperature loading and vehicle impact loading etc.can also influence the deformation performance of HSBC-SH.In this paper，the study was carried out considering this effect on the deformation performance of the HSBC-SH.Firstly，based on the mechanism of HSBC-SH，a theoretical equation to calculate the deformation was put forward;and then the finite element analysis was performed to validate the theoretical analysis;finally，a field experimental study on an existed steel bridge for HSBC-SH was done，the deformation performance of HSBC-SH was assessed practically.

High strength bolt connection with slotted hole;Deformation performance;Friction;Temperature;Impact loading

U441+.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.06

1003-1995(2015)01-0027-04

(責(zé)任審編 孟慶伶)

2014-07-20;

2014-09-26

鞠曉臣(1982—)，男，山東青島人，助理研究員，在站博士后。