靳 康，程 盼，許 闖

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000)

1 概述

螺栓群連接作為一種可靠且快速的連接方式廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中。保證螺栓群中各螺栓的強(qiáng)度本質(zhì)上就是保證鋼結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性。然而在實(shí)際工程中，螺栓群的布置形式復(fù)雜多樣，往往導(dǎo)致群內(nèi)不同位置螺栓受力大小和形式均有較大差別，在遭遇危險(xiǎn)工況時(shí)可能發(fā)生局部螺栓連接失效進(jìn)而引發(fā)螺栓群整體失效的情況[1]。因此，在對(duì)螺栓群進(jìn)行校核時(shí)不能只關(guān)注整體，還需要了解群內(nèi)單個(gè)螺栓的受力情況。為了能夠評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)所有螺栓的安全性，論文以潛孔水利閘門的門槽頂蓋的螺栓群為研究對(duì)象，介紹在危險(xiǎn)工況下螺栓連接強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法[2- 3]。

2 問題分析

2.1 問題描述

某水庫潛孔平面滑動(dòng)閘門由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)驅(qū)動(dòng)完成啟門或閉門操作。液壓?jiǎn)㈤]安裝在閘門槽正上方的頂蓋上。頂蓋由多塊鋼板焊接而成，其底緣鋼板邊緣一周開有52個(gè)螺栓孔。頂蓋與門槽金屬結(jié)構(gòu)之間通過螺栓群相連，且接縫處作密封防水處理。由于水庫蓄水位遠(yuǎn)高于頂蓋高程，當(dāng)閘門全關(guān)擋水時(shí)，水會(huì)充滿門槽，并使頂蓋受到方向向上的水壓。蓄水位越高，頂蓋所受水壓越大，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓受力越大。因此需要在最高水位工況(即處于設(shè)計(jì)水頭時(shí))對(duì)頂蓋連接螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證結(jié)構(gòu)安全性。

2.2 工況分析

門槽頂蓋為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)材料為Q345B，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度取7850kg/m3。閘門主要參數(shù)特性表見表1。

表1 閘門主要參數(shù)特性表

分析頂蓋不同工況下的受力情況，最終確定頂蓋螺栓所處最危險(xiǎn)工況為：水位達(dá)到設(shè)計(jì)水頭100m，閘門全關(guān)，此時(shí)門槽內(nèi)充水，頂蓋底緣受到垂直向上的水壓。

(1)水壓載荷：水壓力作用在底蓋底緣鋼板面上，按下式計(jì)算：

p=ρgh

式中，p—水壓,MPa;ρ—水體密度，取1000kg/m3；g—重力加速度，取9.8m/s2；h—蓄水位與頂蓋底緣高程差，通過計(jì)算為84.85m。

(2)其他載荷：?jiǎn)㈤]機(jī)自重，15t；頂蓋自身重力，以重力加速度方式加載；進(jìn)人孔蓋的重量，401kg。

3 有限元模型簡(jiǎn)化

綜合考慮效率和計(jì)算精度，采用通用三維建模軟件建立頂蓋的實(shí)體模型，再導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到頂蓋的有限元模型[4]。考慮到如果在頂蓋模型上開孔并裝配螺栓進(jìn)行有限元分析將使模型零件數(shù)量、接觸面數(shù)量大增，直接導(dǎo)致計(jì)算量成倍增加，并且螺栓孔附近極易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象干擾最終結(jié)果判斷[5]，因此基于等效思維的方法將頂蓋與螺栓分開進(jìn)行計(jì)算。具體方法如下。

(1)對(duì)頂蓋螺栓群進(jìn)行編號(hào)，如圖1所示(共計(jì)52個(gè))

圖1 頂蓋螺栓位置編號(hào)(圖為頂蓋仰視圖)

(2)利用有限元軟件對(duì)頂蓋底緣鋼板面進(jìn)行面切分[6]，留出所有螺栓軸線和底緣鋼板面的交點(diǎn)。之后劃分網(wǎng)格得到有限元模型(共生成30391個(gè)單元，217549個(gè)節(jié)點(diǎn))，如圖2所示。

圖2 頂蓋劃分后的有限元模型

(2)約束頂蓋底面座圈，對(duì)頂蓋進(jìn)行一次有限元計(jì)算，得到頂蓋分析結(jié)果并依據(jù)復(fù)核評(píng)判方法[7]進(jìn)行結(jié)果分析(文章重點(diǎn)為螺栓強(qiáng)度校核，頂蓋分析結(jié)果不再贅述)。

(3)再將步驟(2)中所留交點(diǎn)設(shè)置為施加固定約束的點(diǎn)，等效代替螺栓群的錨固作用，進(jìn)行第二次有限元計(jì)算如圖3所示。

圖3 頂蓋螺栓位置固定約束

第一次計(jì)算后可得到頂蓋的分析結(jié)果，不受螺栓及開孔的影響(文章研究目標(biāo)是螺栓，頂蓋分析結(jié)果不再贅述)；第二次計(jì)算目的是提取所有約束點(diǎn)的支反力，將其近似作為各螺栓的實(shí)際受力，此時(shí)不關(guān)注其他計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)果處理分析

計(jì)算后提取各約束點(diǎn)支反力數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 工況一各螺栓支反力情況匯總

(續(xù)表)

將表2數(shù)據(jù)繪制成折線如圖4所示。從圖中可以看出，X向的力(絕對(duì)值)相比其余兩個(gè)方向小得多，因此主要考慮Y、Z兩向的受力。通過比較發(fā)現(xiàn)編號(hào)22的螺栓同時(shí)在Y、Z兩個(gè)方向受力都為最大值(編號(hào)38為編號(hào)22的對(duì)稱位置，此處支反力略小于編號(hào)22)。同時(shí)對(duì)比實(shí)際圖紙中螺栓分布情況來看，編號(hào)22的螺栓與其相鄰螺栓距離較遠(yuǎn)，受力大符合預(yù)期。因此最終選取編號(hào)22的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖4 各螺栓位置點(diǎn)沿X、Y、Z向支反力曲線圖

編號(hào)22螺栓三向支反力分別為13060N(X向)，-319630N(Y向)，220570N(Z向)，總支反力為388570N。螺栓為符合GB 897—88標(biāo)準(zhǔn)的M48型號(hào)，性能等級(jí)5.6，查GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定螺栓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，并取安全系數(shù)為1.3，則其許用應(yīng)力情況見表3。

表3 性能等級(jí)5.6的螺栓許用應(yīng)力*

查GB/T 16823.1—1997確定M48螺栓有效截面積為1470mm2，則螺栓實(shí)際拉應(yīng)力為：

螺栓實(shí)際剪應(yīng)力為：

=150.31MPa<161.5MPa=[τ]

式中，σb—拉應(yīng)力，N;τ—剪應(yīng)力，N;FY—Y向受力，N;FX+Z—X、Z兩向合力，N;A—螺栓有效截面積，mm2。

綜上，螺栓在閘門關(guān)閉且為設(shè)計(jì)水頭工況下滿足使用要求。

5 結(jié)語

通過使用有限元方法對(duì)頂蓋螺栓群的分析計(jì)算，找到了綜合受力最大的螺栓的安裝位置，并對(duì)此螺栓強(qiáng)度進(jìn)行了校核。結(jié)果表明螺栓滿足使用要求，從而保證了結(jié)構(gòu)在特殊工況下的使用安全性。

本文以頂蓋螺栓群分析為例提出了一種快速完成螺栓群校核的方法。此方法能夠幫助確定螺栓群中易出現(xiàn)失效的螺栓位置，指導(dǎo)工程維護(hù)人員進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù)檢修工作。然而，對(duì)于簡(jiǎn)化模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的偏差所造成的計(jì)算結(jié)果誤差是否會(huì)影響到校核結(jié)果，文章并未進(jìn)行研究，未來仍需要進(jìn)行深入探討。