何浩，曹瑞，楊林生 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)建筑中的連接有諸多方式，其中螺栓連接是其重要方式之一。高強度螺栓具有良好的抗震性能、較高的連接強度、耐疲勞、方便等優(yōu)點，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅、大跨度橋梁等建筑中得到廣泛的應(yīng)用。近年來中國產(chǎn)鋼量長期位于世界首位，為我國鋼結(jié)構(gòu)建筑業(yè)帶來了良好的發(fā)展勢頭，需要將高強度螺栓連接的安全可靠性進一步提高。

朱銘等學(xué)者通過分析長列螺栓栓群連接接頭實體模型確定螺栓群兩端受力大。徐海鷹對多列螺栓布置的高強螺栓摩擦型連接的連接板進行有限元數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點位置中頭列、尾列螺栓的傳力比最大。張德瑩等學(xué)者對摩擦型高強螺栓連接采用非線性有限元分析，發(fā)現(xiàn)摩擦型高強螺栓和節(jié)點板發(fā)生相對滑移后，每顆螺栓受到的摩擦力趨向相等，外荷載與螺栓傳遞的摩擦力之間存在非線性的關(guān)系。

現(xiàn)有文獻未對孔距為定值的板寬和端距變化對蓋板承載力的影響進行探討，且我國現(xiàn)有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）規(guī)定的摩擦抗剪型高強螺栓和一般抗剪型高強螺栓的端距、孔距和邊距的容許間距是相同的，沒有特定規(guī)定摩擦型高強螺栓的合理間距的范圍。論文應(yīng)用Abaqus有限元分析軟件，采用四螺栓連接算例，對高強度螺栓及其變形情況進行仿真分析，考慮端距與板寬兩種因素對螺栓連接的影響，確定螺栓連接在薄鋼板中適用的端距和板寬。

2 高強度螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的有限元分析

2.1 有限元計算模型

雙排摩擦型高強螺栓連接件有限元模型是由兩個蓋板、一個芯板和四個高強摩擦型螺栓構(gòu)成的。高強螺栓采用8.8級M20螺栓，規(guī)格和尺寸參考GB/T 1288-2006。為保證蓋板先于螺栓摩擦面破壞，蓋板采用厚度h為2mm的鋼板。蓋板（GB）和芯板(XB)鋼板長度a為300mm，螺栓孔中心間距e采用固定值70mm，板上開洞直徑d為22mm，其余尺寸為見表1。部件尺寸符號和孔洞編號見圖1。蓋板和芯板之間的壓力是由螺栓的預(yù)拉力來提供。預(yù)拉力設(shè)置按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）規(guī)范第11.4.2-2表格選取8.8級預(yù)拉力為125kN。蓋板和芯板的接觸面之間的摩擦系數(shù)為0.35。數(shù)據(jù)取樣位置和計算模型簡圖見圖2。

圖1 蓋板和芯板示意圖

圖2 數(shù)據(jù)取樣位置和計算模型

部件尺寸 表1

2.2 材料本構(gòu)

螺栓連接的預(yù)緊過程按彈性計算，設(shè)兩種材料均為線彈性各向同性。螺栓和螺母的材料采用40Cr合金鋼，兩塊蓋板的材料采用Q235鋼材，芯板的材料采用Q345鋼材，材料屬性見表2，本構(gòu)模型見圖3和圖4。

部件材料屬性 表2

圖3 Q235級鋼和Q345級鋼本構(gòu)模型

圖4 螺栓材料本構(gòu)模型

2.3 邊界條件和載荷

在蓋板的一側(cè)施加固定約束，同在芯板板端施加沿x軸方向5mm的位移。螺栓的預(yù)拉力按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）第11.4.2-2取值為125kN；模型分析端距對高強螺栓連接件的連接性能的影響時，連接件采用XB-1分別與GB-1，2，3，4的組合，分析板寬距對高強螺栓連接件的連接性能的影響時，連接件采用XB-1與GB-1，XB-2與 GB-5，XB-3與 GB-6，XB-4與GB-7的組合。

2.4 蓋板最大承載力限值

蓋板最大承載力理論計算值 表3

3 模擬結(jié)果

①通過對圖5進行分析，發(fā)現(xiàn)不同位移下，不同端距的蓋板承受拉力也是極其相近，說明端距的變化對雙排高強螺栓連接件影響很小。

圖5 蓋板承受拉力與端距的關(guān)系

②如圖6所示，隨著位移的增大，蓋板很快進入塑性階段。荷載－位移曲線出現(xiàn)彎折點，表現(xiàn)出良好的延性。隨著板寬的增大，蓋板的承載力不斷增大。

圖6 蓋板承受拉力與板寬的關(guān)系

通過對蓋板承受的最大拉力與位移關(guān)系可以進行分析，不同板寬蓋板最大受拉承載力小于其摩擦力157.5kN且蓋板屈服時的承載力小于表3的毛截面計算值，說明該模型在計算過程中摩擦力還未失效，蓋板在截面較小處發(fā)生破壞，與模型有限元計算結(jié)果是相近的。模型的計算值是合理的。

4 結(jié)果分析

4.1 不同端距模型結(jié)果分析

由表4結(jié)果可以得到，端距為35mm時候，屈服荷載為48.93kN，位移為0.407mm，與端距為65mm的屈服荷載相比，其承載力提高了6‰，此時在這段端距范圍內(nèi)對蓋板的承載力影響小。

不同端距試件參數(shù)對比 表4

圖7是螺栓4兩側(cè)的應(yīng)力分布圖（負值應(yīng)力值為拉應(yīng)力），左側(cè)(X軸負值)靠近板中，右側(cè)(X軸正值)靠近板邊。由圖7可得，螺栓右側(cè)的應(yīng)力值均大于螺栓左側(cè)的應(yīng)力值。結(jié)果說明應(yīng)力集中于螺栓4右側(cè)。端距的增加僅略微改變了螺栓4右側(cè)的應(yīng)力分布，而且只在端距為45mm，應(yīng)力最小，與其他端距應(yīng)力值相比最大相差14.3MPa。改變端距無法解決應(yīng)力集中在板端兩側(cè)的現(xiàn)象，增大端距無法提高承載力。

圖7 蓋板應(yīng)力分布與端距的關(guān)系

不同板寬試件參數(shù)對比 表5

圖8 蓋板應(yīng)力差值與板寬的關(guān)系

4.2 不同板寬模型結(jié)果分析

①表5是不同蓋板板寬的取值條件下，有限元計算屈服荷載和公式計算的屈服荷載，以及有限元計算變形量的對比。

表5中可以發(fā)現(xiàn)板寬為140mm時，有限元屈服荷載計算值為48.93kN。隨著板寬的增大，有限元計算值和變形均增大。當(dāng)板寬為158mm時，有限元計算值為57.71kN，比板寬為140mm情況相比，荷載值提高了17%。與板寬為158mm的有限元計算值相比，板寬為202mm和246mm，兩個荷載值分別提高了27.6%和48.7%。說明板寬對連接件的承載能力的影響很大。

根據(jù)表5做出的有限元值和公式的差值與板寬的關(guān)系圖8可以發(fā)現(xiàn)，板寬增加會提高蓋板承載力，影響是先加強后減弱，在板寬為158mm時候最能發(fā)揮連接件的整體承載能力。在板寬大于158mm以后，差值越來越大，說明蓋板最小截面中未達到屈服強度的面積變大，不能更好地發(fā)揮連接件的承載力。

②由圖9可以看出板寬的增加減小了最小截面應(yīng)力的最大值，使其應(yīng)力更加均勻分布在螺栓兩側(cè)，板寬為140mm時候，螺栓4右側(cè)最小應(yīng)力為238.3MPa，而板寬分別為158mm、202mm和246mm條件下的應(yīng)力值比其小了2%、6.3%、15.4%。螺栓4右側(cè)最遠應(yīng)力值，在板寬140mm和板寬為202mm的時候取得較小值。因此該數(shù)據(jù)可以說明板寬的增大有利于使截面應(yīng)力趨于均勻。

圖9 蓋板應(yīng)力分布與板寬的關(guān)系

5 結(jié)論

①端距增大不能減小后排兩個螺栓兩側(cè)的最大應(yīng)力值。端距在滿足規(guī)范的情況下，端距改變使雙排高強螺栓連接件的承載力的波動范圍在6‰之內(nèi)，對摩擦型雙排高強螺栓連接件承載力的影響很小。端距取1.5d更合適。

②固定孔距的雙排螺栓的連接件在滿足規(guī)范的同時應(yīng)盡可能地增大板寬，在板寬為158mm(7d)左右時候，可以使材料的用量和承載能力之比更合理。