七琴
范文一：【doc】 高强螺栓摩擦型连接的计算方法
高强螺栓摩擦型连接的计算方法
高强螺栓摩擦型连接的计算方法工程建设与设计2005年第10期
高强嫘柱摩擦型连接的计算方法
李鸿博
(同济大学地下建筑与工程系,上海200092)
【摘要】讨论了摩擦型高强度螺栓连接在同时承受剪力争拉力时的计算公式及应用.
【关键词】高强螺栓;摩擦型;连接;计算
【中图分类号]TU391;TU31l【中图分类号】A【文献标识码】1007.9467(2005)l0.0029.02
1引言3计算方法
高强螺栓连接正广泛的应用于工程实践中,特别是摩
擦型的连接应用更广.本文从高强螺栓摩擦型连接的工作
性能入手,结合规范给出的公式,深入解析公式中每个变量
的具体含义,并给出螺栓群同时受剪力和拉力的计算公式.
2螺栓受力性能和承载力
2.1高强螺栓摩擦型连接的抗剪性能和承载力
高强螺栓安装时将螺栓拧紧,螺杆内产生预拉力,这个
预拉力使螺杆压紧构件接触面,靠接触面的摩擦力来阻止
其相互滑移,以达到传递外力的目的.高强度螺栓摩擦型连
接与普通螺栓连接的重要区别,就是完全不靠螺杆的抗剪
和孔壁的承压来传力,而是靠钢板间接触面的摩擦力传力.
摩擦型连接中高强螺栓的抗剪承载力的大小与其传力
摩擦面的抗滑移系数和对钢板的预压力有关.
一
个高强螺栓的抗剪承载力设计值为[1]:
=0.9(1)
式中,n,为传力摩擦面数目;为摩擦面的抗滑移系数;P为
高强螺栓预拉力.
当存在外拉力时,
,
=
0.9n~u,(P-1.25N,)(2)
上式是考虑在外拉力的作用下,构件接触面上的挤
压力变为P—,同时摩擦系数也下降,如保持摩擦系数不
变,就必须适当提高的值,故取1.25N.
2.2高强螺栓摩擦型连接的抗拉性能和承载力
高强螺栓由于预拉力作用,构件间在承受外力作用前已
经有较大的挤压力,高强螺栓受到外力作用时,首先要抵消
这种压力,在克服挤压力之前,螺杆的预拉力基本不变.
试验表明,当外拉力过大时,螺栓将发生松弛现象,这对
连接抗剪性能是不利的,故规定一个高强螺栓的抗拉承载力
为:
=
0.9P(3)
【作者简介】李鸿博(1981-),男,湖北当阳人,同济大学硕士研究
生,从事结构设计方面的研究.(E-mail)limaolv@126.COm.
钢结构设计规范(GB50017)中规定在同时受剪和受拉
时,单个摩擦型高强螺栓承载力公式为[21:,
INt(4)
式中,,/v,分别为某个高强螺栓所承受的剪力和拉力;,
分别为一个高强螺栓的受剪,受拉承载力设计值.
但公式仅给出了单个螺栓受剪拉时的计算公式,对于受
剪拉的螺栓群计算方法,并没有加以说明.下面将讨论螺栓
群受剪拉时螺栓的受力情况,并据此的出相应的计算公式.
3.1螺栓所受的轴力
单独轴力作用下:
/v,=盟
,l
(5)
式中,?为拉力;n螺栓个数.
在弯距和轴力共同作用下,由于预拉力的存在,在摩擦
型高强螺栓允许的工作范围内,螺栓群在受力时将始终绕形
心转动,而不会出现与普通螺栓类似的绕端部排螺栓转动的
情况.因此:
+(6)
式中,为第列螺栓所受的拉力;肘为弯距;为第列螺栓
至螺栓群中心距离,弯距导致受压一侧取负值.
螺栓最大拉力即当yi取最大值ym时(即最外一列
螺栓至螺栓群中心的距离)公式(6)的取值:
/v,=+2(7)
Eyl
3.2螺栓所受的剪力
关于的取值,存在两种不同的的考虑原则和计算方
法[3】.
1)剪力平均分配的原则
即认为所有剪力由所有螺栓均匀承担,即:
:V(8)
,l
按(2)式计算,为螺栓受到的最大拉力.
29
工程建设与设计2005年第10期建筑与结构设计
2)整体原则
即认为不可能发生某一个螺栓处板件间摩擦力被克服
的局部单独滑移;而只有当总剪力达到和超过各螺栓处
所提供的板件间摩擦力的总和时,板件才会发生整体的滑
移.即连接整体抗剪失效.因此,这种原则下每个螺栓所承
受的剪力是不等的.总的抗剪承载力应为每个
同的计算方法:
1)剪力平均分配的原则
(11)式中按照(7)式计算,按照(8)式计算,
按照(3)式计算,按照(2)式计算,分别代入可得:
+?!?1(12)
0.9n,gP0.8P’,…
2)整体原则
(11)式中按照(7)式计算,按照(8)式计算,
按照(3)式计算,按照(10)式计算,分别代入可得:
N/n+My.x/?,,?0.8P
+?.
记平均拉力=ENI/n,相应于式(9),式中?|i<0时,
取=0.
对照规范中的公式(4),(12),(13)式分别可简写
为:
NNb
U
+Nt}Nb
t
?(4
(15)
\NNb.+NaI}NbI?
以上两式即是按照不同的原则考虑螺栓群的受力时,
高强螺栓摩擦型连接同时承受剪力和拉力的计算公式[31.在
第一种计算方法中,假定螺栓拉力为按弹性理论的倾斜直
线分布而剪力为均匀分担,在板件较厚而内力较小时比较
接近实际受力情况.但当内力较大时,认为较大受拉螺栓即
钢板与螺栓压紧力逐渐松脱处,仍能承受与其它螺栓处相
等的剪力(摩擦力),则将有较大偏差.按最大拉力和均匀分
担剪力验算不够时,认为连接将局部单独滑移失效,则更使
设计偏于保守和所用螺栓过多.第二种计算方法考虑连接
为整体,即比较总剪力和各螺校处所提供的摩擦力的总和,
其受力分析较为合理并能节省螺栓,我国《钢结构高强螺栓
连接的设计,施工及验收规程》(JGJ8291)中已规定采用
这种方法[41.
4算例
如图1所示为一受偏心荷载的摩擦型高强度螺栓连
接,偏心力T=-540kN,钢材为Q235,螺栓用lO.9级的M20
高强度螺栓,构件.-l520.05l丽)=17.87kN1’24×(0.05.15.25).
=
8.61kN
一0.64kN,取=0
=0.9,=0.9xlx0.35x155=48.8kN
b
=
0.8P=-0.8x155=124kN
(1)按第一种计算方法
按(13)或(15)式计算:
+=1.17>1,所以验算不合格.
(2)按第二种计算方法
按(14)或(16)式计算:
=41.8kN<124kN
粉喷桩在治理软土地基导致高填方滑坡中的应用工程建设与设计2005年第10期
粉喷桩在治理软土地基导致
高填方滑坡中的应用
王大柱
(株洲市规划设计院,湖南株洲412007)
[摘要]对粉喷桩加固软土地基的作用原理及加固机理进行分析,阐述了粉喷桩加固软土地基技术应用于治理软土地基滑坡
中的设计和施工方法,对这种技术的发展和推广应用具有一定的意义.
[关键词]软土地基;滑坡;粉喷桩;应用
[中图分类号]TU447;TU473.1[文献标识码]B[文章编号]1007—9467(2005)10—0031—02
粉喷桩是一种具有低黏结强度的柔性桩,可用于处理
淤泥,淤泥质土,粉土,饱和黄土,素填土等.它设备简单,用
工省,见效快,成本低,施工过程中无振动,无污染,对周围
环境和建筑物无不良影响等特性,应用日益广泛.
1粉喷桩加固软土地基的作用原理及加固
机理
粉喷桩加固软土地基是在地基加固深度内,将水泥与
软土强制搅拌混合,使水泥与软土硬结成具有整体性,水稳
性和足够强度的水泥加固土.粉喷桩形成的灰土桩群与天
然软土组成复合地基,从而提高地基承载力,减少地基沉降
量;水泥与软土搅拌混合加固是水,水泥与黏土的物理化学
反应过程,水泥遇水后,颗粒表面很快与水发生水解和水化
[作者简介]王大柱(1971-),男,湖南衡东人,工程师,从事路基工
程方面的设计.
作用,生成氢氧化钙,含水铝酸钙,含水硅酸钙等化合物.其
中氢氧化钙,含水铝酸钙等能溶解于水,就使水泥颗粒新鲜
面不断露出来不断与水发生水解和水化作用,这样使溶液很
快达到饱和.以后水与水泥继续作用,但后来水解生成的物
质不能溶解于水,只能以细分散状态的胶体析出,悬于溶液
中,形成凝胶体[1].
2工程概况及工程地质条件
珠江南路为株洲市城市道路主干线,其中珠江南路四
街区为珠江南路紧临湘江的一部分.公路经过区为丘陵及丘
间谷地,丘间谷地地势相对较低,多辟为水田,水塘及菜地,
谷地地表水及地下水均发育.线路以路堤方式通过丘间谷
地,最大填高l0ITI左右.首先,施工单位对路基下的软土作
清淤换填处理,但在施工过程中,业主要求提高路基面标
高,而此时施工单位未对路基加宽部分基底软土作任何处
[2]GB50017.2003钢结构设计规范[S].
互
称性,当计算的没有出现负值时(出现负值取零),平均拉LIHon2_bo
力即为总拉力除以螺栓个数,与弯矩无关.(D
印删ment.fge0technicaleneeg,T.n萄iuIliversi够,
5结语Shanghai200092,China)
rAb~tmctlThinanerdil1ReRtheannlicationofcalculation
本文深入分析了摩擦型高强螺栓连接受剪力和拉力时f0
rmas.fhisn伽b0ltc0衄ecti.niip—critical帅euIlder
螺栓群的计算方法,并给出了两种计算公式,即公式(12),th
eacti.n.f1)sheagf0rceanda)【ialf0rce
“
对规范中的公式做了一定的补充’最
【Keywordslhigh
.
-
strengthbolt;slip-~觚cal;舢e0n;后给出了具体算例
.
,…’…一一.’
『参考文献1.ahdan.”
[1】沈祖炎,等.钢结构基本原理[M],北京:中国建筑工业出版
社,2000.[收稿日期]2oo5_o4_18
范文二：高强螺栓摩擦型连接的计算方法
高强螺栓摩擦型连接的计算方法工程建设与设计!""#年第$"期
高强螺栓摩擦型连接的计算方法
李鸿博
（同济大学地下建筑与工程系，上海２０００９２）
［摘要］讨论了摩擦型高强度螺栓连接在同时承受剪力和拉力时的计算公式及应用。
摩擦型；连接；计算［关键词］高强螺栓；
［中图分类号］ＴＵ３９１；ＴＵ３１１［中图分类号］Ａ［文献标识码］１００７－９４６７１０－００２９－０２（２００５）
１引言
高强螺栓连接正广泛的应用于工程实践中，特别是摩擦型的连接应用更广。本文从高强螺栓摩擦型连接的工作性能入手，结合规范给出的公式，深入解析公式中每个变量的具体含义，并给出螺栓群同时受剪力和拉力的计算公式。
３计算方法
钢结构设计规范（ＧＢ５００１７）中规定在同时受剪和受拉时，单个摩擦型高强螺栓承载力公式为［２］：
!#／!#＋!(／!(
"
"
（４）
"
"
!#、!(分别为某个高强螺栓所承受的剪力和拉力；!#、!(式中，
分别为一个高强螺栓的受剪、受拉承载力设计值。
２螺栓受力性能和承载力
２．１高强螺栓摩擦型连接的抗剪性能和承载力
高强螺栓安装时将螺栓拧紧，螺杆内产生预拉力，这个预拉力使螺杆压紧构件接触面，靠接触面的摩擦力来阻止其相互滑移，以达到传递外力的目的。高强度螺栓摩擦型连接与普通螺栓连接的重要区别，就是完全不靠螺杆的抗剪和孔壁的承压来传力，而是靠钢板间接触面的摩擦力传力。
摩擦型连接中高强螺栓的抗剪承载力的大小与其传力摩擦面的抗滑移系数和对钢板的预压力有关。
一个高强螺栓的抗剪承载力设计值为［１］：!#＝０．９$%!&
"
但公式仅给出了单个螺栓受剪拉时的计算公式，对于受剪拉的螺栓群计算方法，并没有加以说明。下面将讨论螺栓群受剪拉时螺栓的受力情况，并据此的出相应的计算公式。３．１螺栓所受的轴力
单独轴力作用下：!(＝!
!为拉力；$螺栓个数。式中，
（５）
在弯距和轴力共同作用下，由于预拉力的存在，在摩擦螺栓群在受力时将始终绕形型高强螺栓允许的工作范围内，
（１）
心转动，而不会出现与普通螺栓类似的绕端部排螺栓转动的情况。因此：
)
!(＝!＋*+)!+
)
$%为传力摩擦面数目；!为摩擦面的抗滑移系数；&为式中，
高强螺栓预拉力。
当存在外拉力时，!#＝０．９$%!（&’１．２５!(）
"
（６）
（２）
!(为第列螺栓所受的拉力；*为弯距；+)为第)列螺栓式中，
)
上式是考虑在外拉力!(的作用下，构件接触面上的挤压力变为&!!(，同时摩擦系数也下降，如保持摩擦系数不变，就必须适当提高!(的值，故取１．２５!。２．２高强螺栓摩擦型连接的抗拉性能和承载力
高强螺栓由于预拉力作用，构件间在承受外力作用前已经有较大的挤压力，高强螺栓受到外力作用时，首先要抵消这种压力，在克服挤压力之前，螺杆的预拉力基本不变。
试验表明，当外拉力过大时，螺栓将发生松弛现象，这对连接抗剪性能是不利的，故规定一个高强螺栓的抗拉承载力为：
!(＝０．９&
生，从事结构设计方面的研究．（Ｅ－ｍａｉｌ）ｌｉｍａｏｌｖ＠１２６．
"
至螺栓群中心距离，弯距导致受压一侧取负值。
螺栓最大拉力!(即当+)取最大值+ｍａｘ时（即最外一列螺栓至螺栓群中心的距离）公式（６）的取值：
!(＝!＋*+ｍａｘ
!+)
（７）
３．２螺栓所受的剪力
关于!#的取值，存在两种不同的的考虑原则和计算方法［３］：
１）剪力平均分配的原则
即认为所有剪力,由所有螺栓均匀承担，即：!#＝,"
（３）
（８）
［作者简介］李鸿博（１９８１%），男，湖北当阳人，同济大学硕士研究
!#按!(为螺栓受到的最大拉力。（２）式计算，
!&
工程建设与设计!""#年第$"期建筑与结构设计
２）整体原则
即认为不可能发生某一个螺栓处板件间摩擦力被克服的局部单独滑移；而只有当总剪力!达到和超过各螺栓处所提供的板件间摩擦力的总和时，板件才会发生整体的滑移。即连接整体抗剪失效。因此，这种原则下每个螺栓所承受的剪力是不等的。总的抗剪承载力应为每个螺栓抗剪承载力之和，即：
!"＝!０．９#%!（&’１．２５()）
$
第一种计算方法中，假定螺栓拉力为按弹性理论的倾斜直线分布而剪力为均匀分担，在板件较厚而内力较小时比较接近实际受力情况。但当内力较大时，认为较大受拉螺栓即钢板与螺栓压紧力逐渐松脱处，仍能承受与其它螺栓处相则将有较大偏差。按最大拉力和均匀分等的剪力（摩擦力），
担剪力验算不够时，认为连接将局部单独滑移失效，则更使设计偏于保守和所用螺栓过多。第二种计算方法考虑连接
（９）
为整体，即比较总剪力和各螺校处所提供的摩擦力的总和，其受力分析较为合理并能节省螺栓，我国《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程》（ＪＧＪ８２－９１）中已规定采用这种方法［４］。
#
$＝１
式中，当(ｔ１，所以验算不合格。
按第二种计算方法（２）
按（１４）或（１６）式计算：(ｔ＝４１．８ｋＮ＜１２４ｋＮ
１
"
()!()
"
"
(*／(*＋()／()!１
-"
以上两式即是按照不同的原则考虑螺栓群的受力时，高强螺栓摩擦型连接同时承受剪力和拉力的计算公式［３］。在
%"
粉喷桩在治理软土地基导致高填方滑坡中的应用工程建设与设计!""#年第$"期
粉喷桩在治理软土地基导致
高填方滑坡中的应用
王大柱
（株洲市规划设计院，湖南株洲４１２００７）
阐述了粉喷桩加固软土地基技术应用于治理软土地基滑坡［摘要］对粉喷桩加固软土地基的作用原理及加固机理进行分析，中的设计和施工方法，对这种技术的发展和推广应用具有一定的意义。
滑坡；粉喷桩；应用［关键词］软土地基；
［中图分类号］ＴＵ４４７；ＴＵ４７３．１［文献标识码］Ｂ［文章编号］１００７－９４６７１０－００３１－０２（２００５）
粉喷桩是一种具有低黏结强度的柔性桩，可用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土等。它设备简单，用工省，见效快，成本低，施工过程中无振动，无污染，对周围环境和建筑物无不良影响等特性，应用日益广泛。
作用，生成氢氧化钙、含水铝酸钙、含水硅酸钙等化合物。其中氢氧化钙、含水铝酸钙等能溶解于水，就使水泥颗粒新鲜面不断露出来不断与水发生水解和水化作用，这样使溶液很快达到饱和。以后水与水泥继续作用，但后来水解生成的物质不能溶解于水，只能以细分散状态的胶体析出，悬于溶液中，形成凝胶体［１］。
１粉喷桩加固软土地基的作用原理及加固
机理
粉喷桩加固软土地基是在地基加固深度内，将水泥与软土强制搅拌混合，使水泥与软土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的水泥加固土。粉喷桩形成的灰土桩群与天然软土组成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基沉降量；水泥与软土搅拌混合加固是水、水泥与黏土的物理化学反应过程，水泥遇水后，颗粒表面很快与水发生水解和水化
［作者简介］王大柱（１９７１%），男，湖南衡东人，工程师，从事路基工程方面的设计．
$
２工程概况及工程地质条件
珠江南路为株洲市城市道路主干线，其中珠江南路四街区为珠江南路紧临湘江的一部分。公路经过区为丘陵及丘间谷地，丘间谷地地势相对较低，多辟为水田、水塘及菜地，谷地地表水及地下水均发育。线路以路堤方式通过丘间谷施工单位对路基下的软土作地，最大填高１０ｍ左右。首先，清淤换填处理，但在施工过程中，业主要求提高路基面标高，而此时施工单位未对路基加宽部分基底软土作任何处
##############################################
!"＝!!"／$＝２２．６１ｋＮ
#
%
［２］ＧＢ５００１７－２００３钢结构设计规范［Ｓ］．
１９９３．［３］王国周，瞿履谦．钢结构原理与设计［Ｍ］，北京：清华大学出版社，［４］ＪＧＪ８２－９１钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程［Ｓ］．
%!"
４６７．６５／１２＋２２．６１＝０．９８＜１，验算合格。
可见，按照第二种计算方法能够节省螺栓用量，且更符合实际情况。同时注意到在用第二种方法计算时，考虑到对称性，当计算的没有出现负值时（出现负值取零），平均拉力即为总拉力除以螺栓个数，与弯矩无关。
""""""""
ＴｈｅＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｏｆＨｉｇｈ－Ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ＢｏｌｔＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｎＳｌｉｐ－ＣｒｉｔｉｃａｌＴｙｐｅ
ＬＩＨｏｎｇ－ｂｏ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
５结语
本文深入分析了摩擦型高强螺栓连接受剪力和拉力时，螺栓群的计算方法，并给出了两种计算公式，即公式（１２）（１３）和（１４），（１５），对规范中的公式做了一定的补充，最后给出了具体算例。
［参考文献］
２０００．［１］沈祖炎，等．钢结构基本原理［Ｍ］，北京：中国建筑工业出版社，
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｎｓｌｉｐ－ｃｒｉｔｉｃａｌｔｙｐｅｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｂｏｔｈｓｈｅａｒｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄａｘｉａｌｆｏｒｃｅ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｂｏｌｔ；ｃａｌｕｌａｔｉｏｎ
［收稿日期］２００５－０４－１８
ｓｌｉｐ－ｃｒｉｔｉｃａｌ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；
&$
范文三：【doc】高强度螺栓连接各种计算方法的分析
高强度螺栓连接各种计算方法的分析 高强度螺栓连接各种计算方法的分析
方恬
(苏城建环保学院】
丰支对承压型高强度螺栏连接的各种计算方法进行了分析,与对应的摩擦型高强度螺栓连接的计算
方法进行了比较,提出了较台理的计算方法,并举例加以说明
关键词:高强度螺栓连接
THEANALYsJSOFVARIOUSCALCULATIONMETHODS OFHIGHsTRENGTHBOLTCONNECTION FangTian
(Suzhouurbanconstructionandenvironmentalprotecboninstitute)'
rhpaperanalyzesvariousca~uMtonmethodsofhh—strengthboltconnectioninbear-
mg—type,comparesthemmthoseofhigh—strengthbottconnectioninfricton—type.andadvances
aratonalca~u]afionmethodandillustratesthemw】血examp. 新的钢结构设计规范"增加了有关承压
型高强度螺栓的内容它与摩擦型高强度螺
栓的区别主要是:l摩擦型高强度螺栓靠被
连接件板叠之间的摩擦力来承受和传递外荷
载,它是以板叠之间发生相对位移作为其承
载能力的极限状态来进行计算的(图l中l
点):承压型高强度螺检则是靠板叠之间的摩
擦力,以及螺杆抗剪,孔壁承压来承受和传递
外荷载的,它是以螺杆被剪断或孔壁被挤压
坏作为其承载能力的极限状态进行计算的
(图l中3点y.2.摩擦型高强度螺栓的孔径
比螺栓公称直径d大干1.5,2-0mm:承压 型高强度螺栓的孔径比螺检公称直径d大 1.0,l5ram.3.承压型高强度螺栓连接会 产生较大的剪切变形,故不能用于直接承受 动载的结构连接中.两种高强度螺栓的预拉 力P及连接处构件接触面的处理方法则完 垒相同.制造厂供应的高强度螺栓也是没有 摩擦型和承压型之分的.因此,同一个承受 静载或间接承受动载的连接,如果孔径比栓 径大I_5mm,则该连接既可作为摩擦型高强 度螺栓计算,也可作为承压型高强度螺栓计算. 18
目
图I单个螺栓受剿时的工作曲线
承压型高强度螺栓更加宽分地利用了螺 栓的承载能力,因此它比摩擦型高强度螺栓 具有更高的承载能力.承压型高强度螺栓的 最后破坏形式与普通螺检相同,规范【lI规定 其计算方法也与普通螺检相同但由于目前 对承压型高强度螺栓的研究还不够深人,尤 其是缺乏使用经验,所以规范又规定了在抗 剪连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉 力的连接中,承压型高强度螺检的受剪承载 力设计值不得大干按摩擦型连接计算的1.3 倍【lI这就相当干将承载力控制在图l曲线 上的4点处.由于一般结构的平均荷载分项 系数约为1.3,所以也可理解为满足此项要求 的承压型高强度螺栓连接在荷载标准值作用
下(即正常使用状态下)将不致产生滑移. 承压型高强度螺栓连接的计算方法在各 教材中有所不同.下面就螺栓群所受荷载的 不同而分别举例对各种计算方法进行分析讨 论.
一
.
高强度螺栓群受剪力V和
轴拉力N共同作用(图2)
静番图2高强度螺检连接受剪力V1轴拉力N共l司作用
这里v,N都通过螺栓群的形心作用,每 个螺栓平均承受的剪力和拉力为: N:V]
N:旦f?)'nJ
式中n——螺栓数目.
1按摩擦型高强度螺栓计算
N?N=n9nf/a(P—l_25N.)(2) 式中N——一个螺栓所受的剪力; N!——一个摩擦型高强度螺栓的承 载力设计值:
I1r一一传力摩擦面数目:
,it——摩擦面的抗滑移系数:
P——每个高强度螺栓的预拉力: N.——每个高强度螺栓在其杆轴方 向的外拉力,要求N<0.8P. 2.按承压型高强度螺栓计算
(1)方法一[31
<1.0(3)
N<N/1.2(4)
式中N.N——每个螺栓所受的剪力和
拉力,由(1)式确定:
N,N.N一一每个承压型高强度螺栓 的受剪,受拉和承压承
载力设计值:
N:=??(5)
N:0.8P(6)
=
t?f(7) d??
I1——受剪面数目:
d——螺栓杆直径:剪切面在螺纹处 时,(5)式中应以d取代d,d 为有效直径:
t——在同一受力方向的承压构件 的较小总厚度:
.
——
螺栓的抗剪和承压强度设 计值.
在本方法中,若N>I_3N,则取 N=1.3N~',N由(2)式确定. (2)方法二【jI
(昔)2+(昔):<1.0(8】
N
,
百(9)
N<N.20o) 式中N——由(5)式确定; N'——1~t(2)式确定.
这里,式(8)是对连接的承载能力极限状 态验算.式(9)是对连接在荷载标准值作用 下的抗滑移验算,这时相当于将连接作为摩 擦型高强度螺栓计算,而荷载取用标准荷 载.式(10)是承压验算.
(3)方法三
验算公式与方法二相同,即(8).(9), (10)式,但考虑到抗滑移验算时荷载N v应统一取标准值计算,本文提出此时(9) 式中N按下式计算:
19
N?=0.9n(P—I25告】f11)I.1 方法_二计算N时N为荷载设计值产生的, 『阿方法二计算时N.,13为荷载标准值产 生的,这样比较合理.
F面举例说明各计算方法的差别,由J 扎壁承压计算各方法中无区别,故例中略去 不计算.
例1验算图2所示高强度螺栓连接,采 用10.9级高强度螺栓M20,孔径:21.5ram, 构件接触面喷砂处理,结构钢材为16Mn钢, 剪力v一145kN,轴拉力N=744kN,剪切面 在无螺纹处.
解:;=孚
lN.:iN=T744
18.125kN
93kN
<0.8P=0.8×I55=124kN ',l=300ram<15d0:15X21-5
:
3225ram,
.
.
.口=I.0.
(1】摩擦型
N=0.9nr(P一1.25N)=0.9×l ×0.55×(155,I.25X931 =
19.18kN.
'N=I8.125kN<N=19.18kN,
.
'
.安全.
(2)承压型,方法一
N=等××,
=
97.39kN
>1.3N=1.3×19.I8=24.93kN,
.
'
.
取NI3N24.93kN, N=0.8P=0.8XI55=124kN,
,/(n()-I-05I10, .
不安全
(3)承匪型,方法二
2o
?c昔nc昔0.77<In 荷载标准值作用下抗滑移验算: 昔=-I394kN<-l9.I8kN
.
.
.
安垒.
(4)承压型,方法三
?/(NH()n77<I. n
=
…
0.9nr#(P一1.25
0910.5515525=.×××(一I.×J 盟:5..|-/1394kN I.jI3.
<N=32-46kN, .
'
.安全.
例2V=280kN,N:672kN,其余条件 解:fN=V=丁280=35kN, 【N.=iN=T672=84kN n
<n8P=0.8×155=124kN (I)摩擦型
=
0-9(P-:I.25N)=0.9×I
×0.55×(155一I.25X84) =24.75kN,
'N=35kN>N':2475kN,
.
'
.
不安垒.
(2)承压型,方法一
N=譬fII××31
=
9739kN
>1_3N=l3X24.75=3218kN
.取Nb-1.3N=32.18kN,
N一08P:0.8×155=124kN.
t昔nc等)_l_2【1.
.
'
.小赞垒
(3)承JE型,方法二
I
寸N)+(昔)_0_77cl0, .
:
冀:2692kN—l_3一l3一
>N=24.75kN, .
'
.不安全.
(4)承压型,方法二
?t昔n(昔)!7cln
=
0P25告)
=
0.9×l×O.55×(155一l_25T了84) .
等=苦=26.92kN—T可
<N=36.74kN,
?
'安垒.
由例1计算结果可知,当按摩擦型计算 时安全,而按承压型方法一计算反而不安全, 这个结果不合理.可见浚法中取N=1-3N: 代入相关公式(3)的计算方法使承压型高强 度螺栓连接的承载力降低过多,不妥当. 由例2计算结果可知,承压型方法二中 在荷载标准值作用下会产生滑移,这是由于 计算N时N为荷载设计值产生的:而承 压型方法三中在荷载标准值作用下不产生滑 移,这时计算N时N.A.3是由荷载标准值 产生的.承压型方法二中对荷载v取标准值, 而对荷载N取设计值,不一致,但这种计算方 法偏r安垒.承压型方法三对荷载V,N都 取标准值,比较一致
二.高强度螺栓群受剪力V作用
f图2,但图中N=0)
剪力V通过螺栓群形心作用,所以各螺
,由式(1)中第—式确定 栓中所受剪力N相等
l,按摩擦型高强度螺检计算:
N<N=0.9nruP(12)
2按承压型高强度螺检计算:
螺杆抗剪:N<N(I3) 孔壁承压:N<N(14J 式中N——由式(5)确定,若N?> 1.3N,取N:=1.3NN
由式(12)确定:
N:——由式(7)确定.
当剪切面在螺纹处时,可能出现Nb<N:
的情况,即按摩擦型计算的承载力反而大干 按承压型计算的承载力.此时,宜按摩擦型 设计,即按式(12)计算
例3验算图2所示高强度螺栓连接,采 用10.9级高强度螺检M24,孔径d0=255mm,
构件接触面喷砂处理,结构钢材为16Mn钢, 剪力v=888kN,轴拉力N=0,剪切面在螺纹 处.
解:每个螺拴所受剪力相等:
=
孚=111kN
(1)按摩擦型计算:
N=0.9nFuP=0.9×
=i13.375kN,
-._N=lllkN<Nb: ...安垒.
(2)按承压型计算:
l×0.55×225
×31
=
109.276kN
<1.3N'=1.3×111.375=144.8kN .
.'N=l1lkN>N=109.276kN, .
'
.不安垒.
(下转第53页)
2l
磐
c『
==
bVN
中间土层歼始
闭63为多层土中桩的轴向力分布的一般倾向 具体分析多层土中桩盼符载传递对,可视各种情况 按ABO型组合分析
图63多层土中桩的轴向力分布的一般倾向 A型:C;沿深度方向不变或减少时B型:C柑凛 麈占I甸增加时:O型:q沿壤度方向线性增加或 值较小时,口:1/
?AE
在佐藤悟解析法中,把桩侧土的特性用三个 参数k表示,目前在实际应用中,采用什么 试验手段取得选三个参数,还存在着许多雕难因为 土的性质.应力历史桩的特性,施工方法和施工质 量等均影响这三个参数
参考文献
【10】佐尊悟,基础枕0支持力机构(I,5),土木技
术.20(1,5)1965
f1llR.J.Woodward.出.'DrilledP时Foun— dafions,1972(译文见《公路译文》.(4)1975)
【I习同济大学地基基础研究室.桩的荷载传递及其理
论分析方j击.19
f上接第2I页)
由例3的计算结果可知,按承压型设计 抗剪不够,是表示螺杆被剪坏.但此时按摩 擦型设计反而安垒,说明板件接触面之问的 摩擦力没有被克服,即被连接件之间没有发 生滑移,也就是孔壁与螺杆之间没有接触, 这时螺杆并授有受到剪切力作用,所以还不 会发生剪切破坏由此可知,承压型高强度 螺栓抗剪设计时,若N<N,应按摩擦型高 强度螺栓设计,这样比较经济合理. 三.结论
1.承压型高强度螺栓连接受剪力v和拉 力N共同作用时(v,N都通过螺栓群形心作 用),按式(3),式(4)的验算方法欠妥,可能 出现承载力低于摩擦型高强度螺栓连接的承 载力.这时,按式(8),式(9),式(10)的验算 方法较好,但在计算式(9)中的N时,以采 用荷载的标准值计算较合理.使荷载v,N均 为标准值,这样荷载的取值比较一致 2高强度螺栓连接受剪力v作用,如果 剪切面在螺纹处,则有可能出现按摩擦型高 强度螺栓设计安垒,而按承压型高强度螺栓 设计反而不安垒的现象这时,应按照摩擦 型高强度螺栓设计,这样比较经济合理.
参考文献
『l1中氇人民共和国国家标准:钢结构设计规范》 (GBJ17--88),中国计划出版社,1989年4月,第一版 [2l中华^民共和国国家标准:《钢结构设计规 (GBJ17—88)条文明.中国计划出版社.1989年4月, 第一峨
『31钟善桐主编,《钢结构》,中国建筑工业出版社. 1988年12月.第一鹱
[4】胨磐蕃主犏,《钢结构》,中国建筑工业出版社, 1988年11月.第一版
【51刘声扬主编,《钢结构》.武汉工业大学出版社. 1988年7.第一版
圜,
范文四：【doc】铝合金结构螺栓连接的抗剪计算方法
铝合金结构螺栓连接的抗剪计算方法 第1O卷第1期建筑钢结构进展
ProgressinSteelBuildingStructures VoI|1ONO.1
Feb.2008
口?
口口金结构螺栓连接的抗剪计算方法
石永久.,张贵祥,王元清.
(1.清华大学土木工程系,北京100084;2.清华大学结构工程与振动教育部重点实验室,北京100084)
摘要:铝合金建筑结构在工程中的应用已逐渐增多,但对于铝合金结构螺栓连接的计算方法还缺乏系统的研究,相
关的规程规范还有待于完善.本文采用有限元数值计算方法探讨了铝合金螺栓连接的受剪破坏模式,并采用
已有试验资料对计算模型进行了验证,研究了在各种连接长度的情况下,剪力在各个螺栓之间的分布规律,并
与钢结构螺栓连接的情况进行了对比.在参数分析的基础上,本文建议了螺栓连接的抗剪计算公式,并给出
丁长连接的抗剪承载力折减系数.
关键词:铝合金螺栓连接;抗剪承载力;计算方法;折减系数
中图分类号:TU395,TU318.01文献标识码:A文章编号:1671—9379(2008)01—000l一07
ShearResistanceofBoltedConnectioninAIuminumStructures
Abstract:
Keywords
SHIYong-jiu..,ZHANGGui一.riang,WANGYuan—qing,
(1,DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;
2KeylaboratoryofStructuralEngineeringandVibrationofChinaEducationMinistry,
TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
SHIYongjiu:shiyj@mail.tsinghua.edu.cn 铝合金具有重量轻,外形美观,耐腐蚀性好,易于维
护,耐久性好等特性,并且它的力学性能有很多与钢结构
相似,因此在现代结构设计中铝合金得到越来越』泛的
应用.由于焊接会显着的降低铝合金母材的强度,并且
焊接的检查和修补也比较昂贵,所以螺栓连接方式在铝
合金结构连接中的应用范围要多于钢结构.
铝合金螺栓连接的破坏模式和钢结构螺栓连接有类
似之处,现行《铝合金格构结构技术规程(试行)》中基
本参考了钢结构的计算方法,但铝合金是典型的非线性
金属材料,连接受力具有突出的非线性特征,有必要研究
铝合金螺栓连接与钢结构螺栓连接的差异.螺栓连接长
度是影响连接抗剪承载力的重要因素.接头过长时,各
螺栓剪力分布将严重不均匀,连接两端的螺栓受力大于
中间螺栓而可能首先达到极限承载力而引起破坏,螺栓
的抗剪承载力设计值应该按照一定的比例进行折减.在
钢结构设计规范中,螺栓抗剪承载力设计值要按照系数口
收稿日期:2007—0608;收到修改稿日期:2007—08—17
作者简介:
石永久(1962,),男,博士,教授,长期从事钢结构和建筑金属结构教学科研工作.Email:shiyj@mail.tsinghua.edu.cn. 张贵祥(1981,),男,硕士,助理工程师,主要从事铝舍佥结构研究和应用. m引
?m_至
…?肌rI1t,?_耋_J
,一,一一一
m.一,_Jh一,,
一,一一一一m曙m-三m?,一删一
md=,一一一
??m
1h"Osob
,,一一一,,,
2建筑钢结构进展第1O卷
折减.由于铝合金的弹性模量约为钢材弹性模量的1/3, 所以铝合金螺栓连接时的剪力分布规律有别于钢结构连 接,对于折减系数的取值需要重新研究.
本文利用有限元数值计算,对铝合金螺栓连接的抗 剪性能进行了参数分析,研究了铝合金螺栓连接受剪时 的剪力分布规律,并与钢结构螺栓连接时的剪力分配情 况进行了对比,得到了铝合金螺栓连接抗剪承载力计算 公式和折减系数计算公式.
1有限元分析方法
铝合金螺栓连接的数值计算是一个复杂的非线性问 题,包括材料非线性,几何非线性和接触非线性.铝合金 材料是典型的非线性材料,应力,应变关系不能简化成 理想的弹塑性关系,需要采用曲线或多线性模型模拟铝 合金材料的本构关系.为分析铝合金螺栓连接的受力性 能,需要准确的模拟螺栓与螺栓孔之间的非线性接触受 力,以及连接板之间的非线性接触传力问题. 1.1有限元模型的建立
本文采用ANsYS软件进行有限元分析,计算模型所 有的部分均采用实体单元,十节点四面体单元s0LID92 及二十节点六面体单元SO1ID95.连接板之间,螺栓与 连接板之间的接触均通过创建三维接触对来模拟,分别 采用三维八节点面一面接触单元C0NTA174和三维目标
单元TARGE17O模拟.
1.2材料的本构关系
铝合金作为结构材料与钢材的最大差异就在于其本 构关系的非线性,在计算中应充分考虑材料的非线性对 构件的受力性能的影响.
铝合金的应力应变关系通常可以用Ramberg-Os— good模型来描述:
,一(/E)+0.002(a/A?)(1)
其中—tn2/tn(fo/.),和分别为残余应变为
0.1和0.2时对应的应力.规范一般都不提供的 值,而只给出.和E的值.为了进行数值计算,本文应 用了Steinhardt的结论:
一0.1_,2(MPa)(2)
这一建议很简单,且有一定的准确性和适用性. 1.3有限元模型以及结果验证
本文首先分析了文献[3]中的试验节点,其中用铝合 金板做内连接板,钢板做外板.试件的主要几何参数如 下:钢板300×100×19(mm),铝合金板300×100×3.2 (mm),钢板为A572一G50,铝合金板材采用5052一H32,螺 栓采用ASTMA49O,螺栓直径为19mm,取螺栓孔径比 螺栓直径大1.6mm,螺栓端距取4倍螺栓孔直径.由于 该文献中没有给出材料的材性数据,所以材性数据采用 现行规范取值,如表1所示.
表1材性数据表
材料类型E/MPa2/MPa{/MPa伸长率/
钢材A572一G5O2OOOOO425.753O.232 铝合金5O52一H327O38O193.2227.712 有限元计算模型如图1所示.图2为本文有限元计 算模型在铝合金承压破坏计算中得到的曲线和文献[3]
中试验结果的比较,其中曲线的横坐标取为等效承压应 力与铝合金板极限抗拉强度的比值,纵坐标为螺栓孔的 位移变形.可以看出,当荷载较小时,有限元结果与试验 结果非常接近,随着荷载的增加,两者之间偏差增大.但 总的来说有限元结果与试验结果符合的比较好,证明了 有限元模型的合理性.
图1有限元计算模型
g
E
\
屺
馨
平均承压应力/板极限抗拉强度
图2有限元结果与试验结果的比较
2螺栓连接铝合金抗剪性能有限元分析
本文对铝合金螺栓连接的抗剪性能进行了有限元分 析.主要研究了:(1)铝合金螺栓连接的承压性能;(2) 连接长度对剪力在各螺栓中分配的影响.
第1期铝合金结构螺栓连接的抗剪计算方法3 2.1螺栓连接板的承压性能
螺栓连接板的承压承载力可由两种方式确定: (1)强度准则:在不考虑螺栓孔变形的情况下连接可 以承受的最大荷载值;
(2)变形准则:孔变形达到一定程度时所对应的荷载 值(这个孔变形值一般取决于连接的用途).考虑到正常 使用的要求,一般认为当螺栓孔变形超过3O时,连接 已经破坏.
为计算方便,参考钢结构螺栓连接,假定螺栓的名义
压应力均匀分布,名义平均承压应力可以表达为: 一
?
式中,P为螺栓所承受的荷载,t为连接板厚,为螺栓直 径.
本文的承压计算有限元模型也是以铝合金板做内连 接板,钢板做外连接板.试件的主要几何参数如下:钢板 300×100×19(ram),铝合金板300×100×3.2(mm).建 立有限元模型计算我国常用的两种铝合金材料6061一 T6511与5083一H321的承压性能.钢板采用Q345钢,模 型中采用高强度螺栓,避免了螺栓杆剪切破坏模式.这 几种材料的实测材性数据如表2所示.
表2材性数据指标
材料类型E/MPal,/MPa,|1_!/MPa/MPa 5O83一H32168354.1249.4265.3319.7
6O61一T651176467.8251.3256.6273.9
Q3452OO10034551O
影响铝合金板螺栓连接承压性能的主要因素包括: 螺栓端距,承压板厚度,螺栓直径等.本文对这几个因素 进行了参数分析,主要分析参数如表3所示. 表3计算参数分析取值
计算参数参数取篮
端距(Xd)43.532.52L5
螺栓直径/ram3O24201612
板厚/mm76543
图3和图4给出铝合金连接板在螺栓接触孔壁时的 应力分布情况.在连接发生较大的滑动以后,螺栓使连 接板承压,承压应力发生在接近螺栓孔的板件上和螺栓 上.最初,应力集中在接触点上,接触点首先屈服;随着
荷载的增加,使板件材料屈服的部分越来越多,螺栓嵌入 更大的接触面积,达到图4所示的应力分布状态. 74872
"
6
图3螺栓与孔壁接触时的应力分布
ANSYS
图4孔壁承压破坏时应力分布
图5为有限元计算得到的6061一T6和5083一H321铝 合金板端距为4倍螺栓孔直径时的荷载位移曲线.由于 端距取值比较大,所以曲线顶点所代表的极限荷载为净 截面破坏时的荷载值.开始时荷载是由板件之间的摩擦 力承受,所以开始时荷载位移曲线是一段直线.随着荷 载的增大,螺栓在螺栓孔中滑移,图中曲线平台部分就是 由于螺栓在螺栓孔中滑移造成的.
Z
\
退
图5螺栓抗剪连接荷载一位移曲线
早期钢结构螺栓连接研究中,钢板承压性能试验提 供的承压强度主要是用材料的屈服强度来表示,后来的 试验表明用材料的极限抗拉强度表示承压强度更合 理.参考钢结构的计算方法,铝合金连接的承压强度 也通过材料的极限抗拉强度来表示.
2.1.1端距的影响
图6至图11给出了各种不同端距的情况下,铝合金 跚加?如如加m0
4建筑钢结构进展第1o卷
板连接荷载与孔变形关系曲线,其中,荷载是用平均承压
应力与铝合金材料极限抗拉强度的比值来表示的.
慧
辎
\
R
崮
幅
露
5l0l520253035 孔变形/mm
图6端距为4d.时荷载一孔变形曲线 联
娶
,,
R
褥
曩
图7端距为3.5do时荷载一孔变形曲线 骠
娶
\
R
褥
图8端距为3d.时荷载一孔变形曲线 骠
娶
,,
R
褥
霹
0
厂.---606l—T6.'.5083一H32l1 510I52025303540 孔变形/mm
图9端距为2.5d.时荷载一孔变形曲线 疆
娶
,,
R
褥
露
图l0端距为2时荷载一孔变形曲线 联
娶
\
R
褥
露
05l0l
52O253O
孔变形/mm
图ll端距为1.5d.时荷载一孔变形曲线 随着端距的减小,螺栓连接的破坏模式从承压破坏
逐渐变成端部撕裂破坏,铝合金板的承压强度逐渐降低.
当螺栓端距?3.5d.时,端距变化对于承压强度的影响
已经比较小,e一3.5与e一4d.时的承压强度相差不
大.
2.1.2螺栓直径的影响
分析螺栓直径的影响时,取端距e为4倍螺栓孔直径 并取铝合金板的厚度为5ram.图12显示了孔变形为30 的孔直径时对应的极限荷载计算值随螺栓直径的变化. 由图中可以看出,承压荷载极限值与螺栓直径基本是呈线 性比例关系变化的.
Z
\
框
螺栓直径/mm
图l2承压荷载随螺栓直径的变化
2.1.3连接板厚的影响
图13给出了螺栓直径为20ram时不同板厚情况下, 5O5O5O5O5O
第l期铝合金结构螺栓连接的抗剪计算方法5 孔变形为3O孔直径时对应的荷载极限值.从图13中 可以看出,承压荷载值与板厚基本是呈线性比例关系变 化的.螺栓直径和板厚参数分析说明可以假定孔壁承压 应力是均匀变化的,式(3)的假设是合理的.
图l3承压荷载随板厚的变化
表4不同端距下的承压强度
端距4d.3,5d.3d()2,5d2d.1,5do 606l—T64,28f,.4,02.3,53fo2,93f,2,39A.2,02,
5O83一H3213,93fo3.90fo3.54A.2,892,3l_,1.84
有限元计算得到各种端距情况下铝合金的承压强度 如表4所示.用数值分析方法可拟合出铝合金板螺栓连 接,端距与孔径比值1.5?e/d.?4时的承压强度公式: 一
Eo.85e/d.+0.5].(4)
2,2铝合金长连接中螺栓剪力分配
理论和试验研究都已经表明连接长度是影响连接极 限承载力的重要因素.构件在节点处或接头一侧的螺栓 沿受力方向的连接长度z.过长时,各螺栓受剪力分布将 严重不均匀,即连接两端的螺栓受力大于中间螺栓而可 能首先达到极限承载力而引起破坏.端螺栓的破坏使受 力螺栓数目减少而使其他螺栓承受的剪力增大,从而引 起螺栓"解纽扣"式连锁破坏.因此,当连接长度较大时, 螺栓的抗剪承载力设计值应该按照一定的比例进行折 减.在钢结构中,长螺栓连接抗剪强度设计值要按照折 减系数口折减j:
卢一1.1一Z-/(150d.)且?0.7(5)
其中d.为螺栓孔直径.由于铝合金的弹性模量约为钢 材弹性模量的1/3,所以铝合金板螺栓连接时荷载分配情 况应该与钢节点有所不同.本文主要研究了长螺栓节点 的荷载分配情况,并与钢结构螺栓连接进行了对比. 本文共计算了12个节点模型,螺栓之间间距取为 2.5.,端距取为2d.,铝合金连接和钢连接分别计算5种 连接长度情况下各螺栓之间的荷载分配情况,节点采用 的螺栓数目如表5所示.
表5铝合金和钢连接螺栓数目
连接种类螺栓数目
钢长节点螺栓连接357911
铝合金长节点螺栓连接307911
铝合金板选用建筑结构常用铝合金6061-T6,钢板选 用Q345钢,螺栓采用普通螺栓.有限元计算模型如图 l4和图l5所示.
图14连接有限元模型
lllllllll图l5螺栓的有限元模型
2.3有限元分析结果
图l6至图l9给出了铝合金和钢节点在不同连接长 度情况下在弹性阶段每个螺栓的受力不均匀分配系数, 不均匀系数为每个螺栓所受剪力与平均螺栓剪力的比 值.
\
\
一
一
铝合金
一
一钢
螺2栓3
图16三个螺栓连接不均匀分配系数
图17五个螺栓连接不均匀分配系数
?如?如加?帅鲫
z镉椁
如加m??
6建筑钢结构进展第1O卷
图l8七个螺栓连接不均匀分配系数
露
图l9九个螺栓连接不均匀分配系数
由图16至图19可以看出,对于铝合金和钢结构连 接,都是两端螺栓的受力较大,中间螺栓受力最小.随着 螺栓连接长度的增加,铝合金连接和钢结构连接螺栓的 不均匀分配系数增大.在连接长度小于等于10d.的情 况下,两者相差不大;当连接长度超过10d.以后,铝合金 连接的不均匀分配系数明显要比钢连接要大.
3螺栓连接铝合金抗剪计算
3.1承压强度计算方法
英国规范BS8118中铝合金材料分项系数取为), 一
1.2;Eurocode9中螺栓连接铝合金的材料分项系数 ),一1.25;而美国规范中给出的螺栓连接的安全系数为 2.34,根据其荷载分项系数平均值为1.3可得其抗力系 数yR一1.8.由于铝合金材料离散性较大,并且以铝合 金的抗拉强度作为参考指标,本文建议取其材料分项系 数yn1为1.8.
由此可得铝合金板的设计承压强度设计值为: =
/7m=E0.85e/d.十0.53f/r(6)
我国钢结构设计规范中,螺栓连接的板的承压强 度的设计值是按照螺栓端距等于2倍孔径的情况确定, 在铝合金连接板的承压强度也按照螺栓端距等于:倍孔 径的情况取值,将e/d.一2代人式(6),可得铝合金连接 板的承压强度设计值:
:1.22/(7)
对于建筑结构常用铝合金6061-T6,参考Eurocode 9,英国BS8118以及我国《铝合金格构结构技术规程》中 给出的铝合金连接板承压强度的计算公式,按照这些规 范中所给出的铝合金连接板承压设计强度计算公式所得 的螺栓连接铝合金承压强度,如表6所示.
表6规范计算所得6061—3"6承压强度设计值 Eurocode9BS8118规程
计算公式一f一2p/yn1式(7)
M
承压强度/MPa5304252803O9
其中P为1.2与0.5(f0+f)中的较小值.从
表中可以看出我国规程中铝合金承压强度取值比较保 守,还有提高的空间.
3.2铝合金板螺栓连接的端距取值
在铝合金连接中,为防止板材撕开,端距的取值可以 用由端部螺栓传递的最大荷载等于端部材料的剪切破坏 荷载来确定.端部的剪切破坏荷载的下限可以表示为: V一2(P—d/2)f(0.6fo)(8) 其承压承载力可以表示为:
P—dt(9)
所以,为防止紧固件从板材端部撕裂而出,可以通过 构造要求限制端距的取值避免出现这种情况.假定端部 剪切破坏荷载等于承压破坏荷载(取?.),有: /.一1.2[(P/)一0.5](10)
当端距取1.5倍螺栓孔径时可得/_厂u一1.2.当 按照式(9)取承压强度的设计值时,得//'一0.99< 1.2,可以满足端部抗撕裂的要求.
3.3抗剪长连接折减系数
从有限元计算中可以知道,铝合金板螺栓连接时荷 载分配情况比钢板螺栓连接时荷载分配更不均匀,并且 铝合金在连接长度达到10d.的时候,分布不均匀系数就 已经和钢中连接长度为15时的不均匀系数相当.这 意味着在铝合金螺栓连接设计中,连接长度折减系数取 值应该比钢结构中严格,并且铝合金长连接的限制条件 也应该更严格,应该在连接长度大于10d.的情况下就进 行折减.
但为了方便设计人员使用,折减公式可取和钢结构 中的相似.通过对有限元计算结果的分析,在铝合金螺 栓连接长节点中,当z?10d.时,折减系数可以取
一
1.1一Z/(100d.)(11)
3.4普通螺栓铝合金连接抗剪设计
参考钢结构螺栓连接设计方法,普通螺栓铝合金连 如加:宝?如印如加:2m?舳
第1期铝合金结构螺栓连接的抗剪计算方法7 接中,每个螺栓的承载力设计值应取受剪和承压承载力 设计值中的较小值.螺栓受剪承载力设计值为 N:(12)
4
螺栓承压承载力设计值为
N一d(13)
式中---受剪面数目;d一螺栓杆直径;',在不同受 力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值;, 螺栓的抗剪和承压强度值.其中,按照式(7)计 算.
在构件的节点处或拼接接头的一端,当螺栓沿轴向 受力方向的连接长度大于10d时,应将螺栓的承载力 设计值乘以折减系数.8,折减系数按式(11)计算. 4结论
本文在有限元参数分析的基础上,研究了铝合金构 件螺栓连接抗剪承载力和破坏模式,主要结果如下: (1)根据国内常用的两种铝合金材料6061一T6和 5083一H321的有限元计算结果得到了铝合金螺栓连接在 1.54e//d?4情况下承压强度计算公式,给出了铝合金 连接板的设计承压强度建议值.
(2)铝合金板螺栓连接时荷载分配情况比钢板螺栓 连接时荷载分配更不均匀,并且铝合金在连接长度达到
10d.的时候,分布不均匀系数就已经和钢结构中连接长
度为15.时的不均匀系数相当,本文给出了螺栓连接长
节点当?10d.时的折减系数计算公式.
参考文献:
[一1]MauriceI.Sharp.BehavioranddesignofaJurninumstl_fl tures~M1NewYork:McGraw—Hill,】993.
E2]铝合金格构结构技术规程(试行)(DGJ08—95,2001)Es].上海:
上海市工程建设标准化办公室,2001.
[3]C.C.Menzemer,R.Ortiz—Morgado,R.Iascone.andT.S.Sri—
vatsan.Aninvestigationofthehearingstrengthofthreealu—
minumalloys[J].MaterialsScienceandEngineeringA327 (2):203-212.
E41HveongJ.KimandJosephA.Yura.Theeffectofuhimate—
toyieldratioonthehearingstrengthofboltedconnections EJ2.Journalofc.nstructionaJSteelResearch.1999,49:255—
269.
Es]钢结构设计规范(GB50017-2003)Es].北京:中国计划出版社,
2003.
[6]BritishStandard8118.Structuraluseofaluminum[s].UK, 1991.
[7]ECCS.Eurocode9:Designofaluminumstructures[S].CEN, Part卜1,1997.
E87AluminumAssociation.Specificationforaluminumstructures Is].5thedn.,USA,1986.
向审稿人致谢
(排名不分先后)
2007年,《建筑钢结构进展》杂志继续受到广大作者,读者的厚爱,全国各地的作者
踊跃向本刊投稿.在
2007年,承蒙以下专家热情,认真地为本刊审稿,录用稿件的质量才会越来越高.在
此,编辑部全体工作人员向
他们表示衷心的感谢!
蔡益燕 黄本才 余志武 金伟良 王元清 杨强跃 陈骥
刘承宗 陶忠
罗尧治 李元齐 王静峰 张震一 陈清军 罗永峰 童根树 张其林 赵宪忠 张田忠 徐蓉
范懋达 潘士劫 吴欣之 张素梅 叶列平 邓长根 张建伟
顾强
吴忠
许国良 滕锦光 蒋首超 童乐为 刘开国 郭彦林 朱慈勉 夏汉强 赵金城 翁大根 舒赣平 申林
侯兆欣 舒兴平 白国良 蒋东红 陈志华 余海群 刘玉姝
范文五：螺栓法兰连接中非线性垫片径向应力的解析计算方法
螺栓法兰连接中非线性垫片径向应力的解
析计算方法
第31卷
2OlO
第4期
年8月
核动力工程
NuclearPowerEngineering
Vo1.31.NO.4
Aug.2010
文章编号:0258.0926(2010)04.0106.05 螺栓法兰连接中非线性垫片径向
应力的解析计算方法
刘麟一,顾伯勤
(1.南京市锅炉压力容器检验研究所,南京,210002;2.南京T业大学机械与动力T程学院,南京,210009)
摘要:为准确评价螺栓法兰连接结构的紧密性,采用解析方法对螺栓法兰连接中非线垫片沿径向变形量
和应力分布进行研究.解析方法计算得到的垫片变形量与应力分布与有限元法计算结果基本一致,但较有限
元法计算的稍偏小.分析结果表明,垫片变形量及沿径向的应力分布都是不均匀的,由垫片内径向外径逐渐
增大.
关键词:螺栓法兰连接;垫片;径向应力
中图分类号:TB42文献标识码:A
1前言
螺栓法兰垫片连接是核设施中压力容器和管
道常用的连接方式,连接失效将导致核泄漏.核 电站的安全性,可靠性和经济性很大程度上取决 于连接结构密封的有效性【】】.连接结构产生泄漏 的主要原因是密封垫片的应力在长时间工作条件 作用下逐渐变小,无法满足密封所需要压紧力. 目前国内外对于螺栓法兰连接系统中垫片应力的 研究大多数集中在垫片平均应力方面,认为连接 系统的紧密性仅与垫片的平均应力有关,通过平 均应力对连接结构的紧静l生进行评价,这样评价 紧密性的方法具有一定局限性【2j. 本文采用解析方法,考虑垫片蠕变和非线性 特性,计算了垫片应力在预紧和工作条件下沿径 向分布的规律,并利用三维有限元方法对计算结 果进行验证,为准确预测连接系统泄漏率,评价 系统紧密眭提供重要依据.
2非线性垫片力学模型和应力分析
2.1高温下连接系统的变形协调方程
螺栓法兰垫片连接是一个静不定结构.预紧 时各元件处于较高的应力水平.工作条件下,介 质压力在法兰连接处产生轴向静压载荷,加上高 温的影响,使螺栓伸长,法兰偏转,垫片产生蠕 变和应力松弛.此时,法兰轴向位移,螺栓伸长 量以及垫片变形量较预紧后都发生了改变,而这 些改变量符合连接系统的变形协调条件[21.当连 接结构上下法兰相同时,变形协调方程为【2】: J[)k—b—J亡)K(R+clRT)lnt—
lqBt,2—9B+,0aBtT2一B一
2IqFtA+qr,tP—qFMl一5FFt一F)j0 (1)
式中,为垫片在预紧载荷下的初始变形量, mm;DG为在工作条件下的变形量,mm;BR,CR 均为垫片的蠕变系数;qB,qB分别为预紧和操 作温度下螺栓的弹性系数,mm?N,;qF,qF分 别为预紧和工作温度下的法兰弹性系数,N,;qPt 为计算周向应力法兰弹性系数,N,;,.分
别为预紧和工作温度下螺栓材料的线膨胀系数, K,;,F分别为预紧和工作温度下法兰材料 的线膨胀系数,K,;P为介质压力,MPa;,为工 作时间,s;Tl,分别为预紧沿垫片径向的法兰 弯矩的大小,?;,分别为预紧和操作时
的螺栓载荷,N;,分别为预紧和操作时沿
垫片径向的法兰弯矩的大小,N?mm;,0为螺栓初 始计算长度,mlTl;5F为法兰厚度.
收稿日期:2009.03.25:修回日期:2009.09—05 基金项目:国家自然科学基金(10872088);教育部博士学位基金(20070291004);南
京_T业大学博士学位创新基金(BSCX200713) 刘麟等:螺栓法兰连接中非线性垫片径向应力的解析计算方法107
2.2非线性垫片的压缩回弹性能及表征方法 通常认为,非线性垫片的压缩回弹特l生是非 线性和非保守的,在压缩和回弹过程中垫片的应 力与变形所对应的关系可由式(2)和式(3)表 示【3】.
压缩过程:
=
(Ac一)c(2)
卸载过程:
S
K
G
=As+Bs
'
?
以上各式中,为垫片的应力,MPa;为垫
片的预紧应力,lVIPa;Ac,Bc,?C,s,, T,研为垫片压缩的回归系数.
Abde1.HakimBouzid等人认为,在螺栓法兰 连接系统中考虑法兰的偏转,垫片沿径向的变化 量是线性的,且其沿径向各个位置的轴向的压缩 量可由式(4)获得l4】:
D(,):+|i}f一,0(4)
式中,Dm为垫片的平均变形量,mm;R为垫片 的平均应力点处的半径,mm;k为垫片的变形因 子(连接结构中若为盲板法兰其值取1,对称法 兰其值取2);,.为垫片沿径向任一点的半径,film; 0为法兰转角,rad.
】: 0可按照式(5)进行计算【5
+
C,D~rP
+C2ge)(5)
式中,cl,C2为垫片密封性能系数;D为法兰环 的内径,mm;Ef为法兰的弹性模量,MPa;g为 法兰锥颈小端厚度,mm;g.为法兰锥颈大端厚度, mm;L为无因次因数;M为沿垫片径向的法兰 外力矩大小,N?mm;tf为法兰环厚度,mm; 为无因次因数;为泊松比;ge为锥颈厚度,mm; 为法兰位移,mm,和按文献【6】计算. 不考虑螺栓法兰连接结构中螺栓力沿法兰周 向分布的不均性,认为垫片同一径向位置应力沿
周向分布是相等的.假设存在一个垫片平均应力 Ghn,那么垫片应力从内径到外径沿周向的积分 等于垫片平均应力与垫片与法兰接触面的表面积 之积,可用式(6)表示:
2G
:
『2[?(譬一,.卜=c6
式中,Gi为垫片的内径,一mm;Go为垫片的外径, 一
mm;)为垫片沿径向各点的应力大小,MPa; 为垫片与法兰接触面的表面积,mill;为 垫片平均应力,MPa;厂为通过式(3)和式(4) 所求出的)函数表达式.
2.3垫片变形量和应力沿径向分布的计算方法 由式(2),式(3)可以求出垫片在工作条件 下的平均应力(&)和平均变形量(DGm),然 而,,所对应的却无法确定.及垫
片变形量和应力沿径向分布的计算流程见1所示. /ft1式(1)计算工况条件/
/垫桷均随j3/
代人式(3)计算D,I
I
设定任一足够小的—
I
由式(4)计算(,)I
I
m式(3)计算(,)l
I
代人式(6),求得I
赫
I输m沿径向各个位置的变形量和应力I 图1垫片沿径向方向变形量和应力计算流程 Fig.1FlowchartforCalculationofGasket
DefomationandStress 已知垫片预紧应力,介质压力P和工作温 度以及垫片,螺栓,法兰的尺寸和材料常数, 通过求解螺栓法兰连接的变形协调方程得到垫片 的和&.设定一个足够小的初始垫片平均 应力作用点凡l忸,将式(4)和式(3)带人式(6) 可以求得垫片假定的平均应力.将.与
进行比较,如果两者相等,计算结束,DG(,( l08核动力工程Vl01.3l_No.4.201O 求得,输出沿垫片径向各个位置的变形量和应力; 反之,将初始设定的Gm增加一个?民继续进行 计算.
3计算实例与结果分析
某一管法兰连接J,工作压力为3.88MPa, 工作温度为400?,介质为氢气,硫化氢气体和 碳氢混合物.法兰为符合GB9115.14.88标准, PN10.0,DN300的带颈对焊管法兰;材料为 0Cr19Ni9;采用20个M33,材料为35CrMoA的 双头螺栓;柔性石墨复合垫片的预紧应力为 50MPa;工作时间为1000h.
温度为400oC时,柔性石墨复合垫片的加载, 卸载和蠕变本构方程分别为L7j:
SK=101.86(7)
,,n,'?87
:一
o.21+1.1lIuGl(8)
DG/=1+1.05x10lnt(9) 法兰材料在常温和工作温度下的弹性模量 (毋,)分别为1.9x10MPa和1.69x10MPa; 螺栓材料在常温和工作温度下的弹性模量(, )分别为2.06x10MPa和1.80x10MPa;法兰 材料的线膨胀系数1.799x10;螺栓材料的 线膨胀系数=1.358x10.
有限元划分如图2所示.由于法兰受力模型 为轴向周期对称分布,故取1/20法兰接头作为研 究对象,使用有限元软件ABAQUS进行应力分 析.在有限元模型中,法兰环,连接壳体,螺栓 都采用实体单元C3D8R模拟.使用GK3D8单元 模拟垫片的非线性行为,该单元仅考虑垫片的轴 向力和轴向位移,忽略表面摩擦力和垫片与法兰 图2螺栓法兰连接系统的三维有限元模型 Fig.2FiniteElementAnalysisModelofBolted
FlangedConnections 面之间的滑动.螺母与法兰表面之间忽略摩擦力. 使用解析法计算得到垫片残余压紧应力: Sc,m=39.74MPa;SK=50MPa; DK=0.689舢;‰0.675lnJn; :357.652nlm.
最终求得垫片变形量沿径向分布公式为: ,,
,,'.,)=
o.675+I357.625一l0(10),,/ 垫片应力沿径向分布公式为:
SG(0--一10.5+
55.5!+-:二.即(11)
L0.689j
解析法计算得到该管法兰连接连续运行 1000h后垫片的平均变形量为0.675—1'11111,平均应 力大小为39.74MPa,平均应力对应受力点在以 直径为334.659mill的垫片圆周上.通过式(9) 求出垫片变形量沿径向的变化大小,由解析法和 有限元法计算出的垫片变形量径向分布变化曲线 如图3所示.由图3可以看出,解析法和有限元 法计算出的结果基本一致,垫片的变形量由内径 向外逐渐变大.解析法计算的垫片变形量为一直 线,在垫片内径处的变形量最小,其值为
0.643mill,在垫片的外径处变形量最大,达到 0.696him.有限元法由于考虑了连接结构的非线 性以及在螺栓力作用下垫片周向应力的不均匀性 等因素,因此垫片变形量总体偏小,且其变形量 不呈线性比变化;在垫片内径处,垫片的变形量 为0.622mm;在外径处垫片的变形量为0.682mm. 垫片的径向应力解析法计算可按照式(10) 求得,图4为解析法和有限元法求得的垫片应力 沿径向分布曲线.从图4可以看出,垫片的应力 分布沿径向从内向外逐渐增大.由解析法求得的 50
—
42
34
26
垫片沿径向比例(由内径向外径)
图3垫片变形量沿径向分布图
Fig.3DeformationofGasketalongWidthDirection
刘麟等:螺栓法兰连接中非线性垫片径向应力的解析计算方法
垫片沿径向比例(由内径向外径)
图4垫片应力沿径向分布图
Fig.4StressofGasketalongWidthDirection
垫片应力在垫片内径处最小(31.45MPa);在垫 片的外径处达到最大值47.56MPa.有限元法和 解析法计算得到的垫片应力分布规律基本相同; 有限元法计算得到的垫片应力最小值也在垫片内 径处,其值为27.82MPa;最大值在垫片的外径 处,其值为45.07MPa.由于有限元法考虑了连 接结构的非线性变形,因此计算值偏小,2种方 法求得的垫片应力误差值约6%.由图3,图4可 以看出,有限元法求得的垫片沿径向变形量和应 力结果偏小,但与解析法相比两者相差不大.因 此,可以将垫片变形量和应力分布解析计算结果 作为连接结构紧密性分析的依据.
4结论
(1)螺栓法兰连接中非线性垫片径向变形和 应力的解析方法和有限元方法计算结果基本一 致.表明垫片应力沿径向分布的力学模型和解析 计算方法是正确的,解析法计算出的垫片应力沿 径向分布是有效的,可以作为螺栓法兰连接结构 紧密性分析的依据.
(2)解析法结果表明,垫片沿径向的变形量 和应力分布由内向外逐渐增大.解析法由于没有 考虑连接结构整体的非线性以及在螺栓力作用下 垫片周向应力的不均匀性等因素,计算出的垫片 沿径向变形量和应力数值较有限元方法偏大. 参考文献:
【1]1郭满华.大亚湾核电站石棉垫片的替代和非石棉垫片
的选型[J】.核动力工程,2005,26(5):528-530.
【2】顾伯勤,陈哗.高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法
【J].润滑与密封,2006,178(6):39-41.
【3】BoqinGU,CHENGYe,ZHANGYu.TightnessPredic?
tionofFlangedJointswithElasticWashers【C】.Proceed-
ingsoftheNinthInternationalConferenceon
EngineeringStructuralIntegrityAssessment.Beijing,
China,2007.
【4】Abdel—HakimBouzid,MichelDerenne.Analytical
ModelingoftheContactStressWithGaskets[J].Journal
ofPressureVesselTechnology,2002,124:47-53.
[5】5冯秀.金属垫片密封模型及应用研究【D】.南京:南京
工业大学博士学位论文.2006.
【6】6顾伯勤.螺栓法兰垫片连接的紧密性研究[D】.南京:
南京化工大学硕士学位论文.1987.
.高温法兰连接系统的 [7】陆晓峰,顾伯勤,涂善东,等
安全评定方法【J】.润滑与密封,2005,172(6):144~147.
AnalyticalMethodofNonlinearGasketContactStressalong
WidthDirectiononBoltedFlangedConnections
LIULin,GUBo—qin
(1.NanjhagBoilerandPresureVesselInspectionInstitute,Nanjhag,210002,China; 2.CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjhagUniversityofTechnology,Nanj.m舀210009,China)
Abstract:Inordertoevaluatethetightnessofboltedflangedconnectionsaccurately,thedeformationand
thecontactstressalongtheradialdirectionofnonlineargasketshavebeenresearchedusinganalyticalmethod.
Theanalyticalresultsobtainedbyanalyticalmethodwerecomparedwiththosebyfiniteelementanalysis
(FEA),whichshowsthattheresultscalculatedbytwomethodsarefundamentallycoincident,
buttheformer
issmallerthanthelatter.Theresultsindicatethatboththedeformationandthecontactstressofgaskets
distributenon-uniformlyalongthegasketradialdirection,andtIleyallincreasefromgasketinnermargintoits
outermargin.
KeyWOrds:Boltedflangedconnections.GasketContactstressalongwidthdirection 作者简介:
刘麟(1983一),男.2010年毕业于南京工业大学化工过程机械专业,获博士学位.现
主要从事承压特种设备检
验新技术研究与应用工作.
顾伯勤(1957一),男,教授,博士生导师.1996年毕业于奥地利累奥本大学,获博士学
位.现主要从事流体密封
与测控技术研究.
(责任编辑:张明军)
转载请注明出处范文大全网 » 【doc】高强螺栓摩擦型连接
