铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法_王元清
铝合金构件普通螺栓抗剪连接设计方法
Ｆ２ ／
图１ （ ）双 剪剪切破坏模 式 一 ａ
图 卜 （）单剪剪 切破坏模式 ｂ
＞
／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／／ Ａ 、
） ） ）
Ｖ ／ ／ ＾
＝ 二
＞
【 ］ ’
，，， ，／， ， ／／ ７／Ａ ／／／／／／／／／／／
图卜 （） 孔壁承压破 坏模式 ｃ
Ｆ２ ／
被 拉长 、 孔前 板件 隆起 。抗剪 连接 破坏 模式 如 图 １
所示。
１ １承压 计算 承载 力设计 值 ． 铝合金构件螺栓 连接 中多采用 钢螺栓 ， 但钢 螺
栓必须进行镀 锌或喷涂 防护材料 以防止接触腐 蚀 。
ｌ
豳 阴
—
—
—
—
—
Ｉ
ｌ
— — — — —
Ｐ ｂ 一ｔ ｄ
的 比值 ｅ ｄ 、 栓 直 径 和 连接 板 厚 度 有 关 。随 着 ／ 螺 端距 变 大 ， 接 的 破坏 模 式 从 端 部 破 坏 转 化 为 承 连
压破坏 。 螺栓 连 接 的 承 压 破 坏 是 由 两 种 方 式 定 义 。
式 中 Ｐ（ ） ｎ 一螺 栓 所 承 受 的荷 载 ； 一 板 厚 ， 位 ｆ 单 （ ｍ） ｄ Ⅱ ； 一螺 栓 的名义 直径 ， 位 （ ｌ） 单 ｍＴ 。 Ｉ 图 ３及 图 ４给 出 了有 限元 参 数 分 析 ， 出 了 得 承压破 坏时 承压荷 载与 螺 栓直 径 以及 承压 荷载 与
铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法_王元清
四川大学学报（ 工程科学版）
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY （ ENGINEEБайду номын сангаасING SCIENCE EDITION）
Vol． 43 No． 5 Sept． 2011
准材性试件， 每种材料各做 3 个试件， 其尺寸参考金 ［12 ］ 属材料室温拉伸试验标准 。 通过单向拉伸试验， 得到材料的名义屈服强度 f0． 2 、 极限强度 f u 、 弹性模 量 E 和材料系数 n， 取 3 个试件的平均值， 结果列于 2 种铝合金材料的弹性模量均偏低， 可能与具 表 1。 体材料的批次以及加工工艺相关， 表 1 中的材性试 验结果可用来模拟试验结果， 而在后面的参数分析 ［7 ］ 中取用规范 规定的强度及弹性模量值。
［6 ］
屋盖采用铝合金单层网壳， 铝合金材料牌号为 6061 ［2 ］ － T6 ， 网壳的铝合金节点采用螺栓连接 ； 在2001
收稿日期： 2010 － 11 － 12 基金项 目： 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 （ 20090002110046 ） 作者简介： 王元清（ 1963 － ） ， 男， 教授， 博导． 研究方向： 钢结构； mail： wang － yq@ tsinghua． edu． cn 铝合金结构． E-
螺栓强度计算
第三章 螺纹联接（含螺旋传动）
3-1 基础知识 一、螺纹的主要参数
现以圆柱普通螺纹的外螺纹为例说明螺纹的主要几何参数，见图3-1，主要有：
1）大径d ——螺纹的最大直径，即与螺纹牙顶重合的假想圆柱面的直径，在标准中定为公称直径。
2）小径1d ——螺纹的最小直径，即与螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。
3）中径2d ——通过螺纹轴向界面内牙型上的沟槽和突起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，2d ≈
11
()2
d d +。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。
４）线数n ——螺纹的螺旋线数目。常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故多用双线或三线螺纹。为了便于制造，一般用线数n ≤４。
５）螺距P ——螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。 ６）导程S ——螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。单线螺纹S ＝P ，多线螺纹S ＝nP 。
７）螺纹升角λ——螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。在螺纹的不同直径处，螺纹升角各不相同。通常按螺纹中径2d 处计算，即
22
arctan
arctan S nP d d λππ== （3-1） 8）牙型角α——螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角称为牙侧角，对称牙型的牙侧角β＝α/2。
9）螺纹接触高度h ——内外螺纹旋合后的接触面的径向高度。
二、螺纹联接的类型
螺纹联接的主要类型有：
图3-1
1、螺栓联接
常见的普通螺栓联接如图3-2a所示。这种联接的结构特点是被联接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙。图3-2b是铰制孔用螺栓联接。这种联接能精确固定被联接件的相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。
联接螺栓强度计算方法
联接螺栓的强度计算方法
一．连接螺栓的选用及预紧力：
1、已知条件：
螺栓的 s＝730MPa 螺栓的拧紧力矩T=49N.m
2、拧紧力矩：
为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。
其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的
摩擦力矩T2。装配时可用力矩扳手法控制力矩。
公式：T=T1+T2=K*
F* d
拧紧扳手力矩T=49N.m
其中K为拧紧力矩系数，
F为预紧力N d为螺纹公称直径mm
其中K为拧紧力矩系数，
F为预紧力N d为螺纹公称直径mm
取K＝0.28，则预紧力
F＝T/0.28*10*10-3＝17500N
3、承受预紧力螺栓的强度计算：
螺栓公称应力截面面积As（mm）=58mm2
外螺纹小径d1=8.38mm
外螺纹中径d2=9.03mm
计算直径d3＝8.16mm
螺纹原始三角形高度h=1.29mm 螺纹原始三角形根部厚度b=1.12mm
紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。 螺栓的最大拉伸应力σ1(MPa)。 0
1s
F A σ=
=17500N/58*10-6m 2=302MPa 剪切应力：
=0.51σ=151 MPa
根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力: =1.3*302=392.6 MPa
强度条件：
=392.6≤730*0.8=584
预紧力的确定原则：
拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s σ的80%。
螺栓强度计算
螺栓强度计算
螺栓联接的强度计算，主要是根据联接的类型、联接的装配情况(是否预紧)和受载状
态等条件，确定螺栓的受力；然后按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径(螺纹小径)或校核其强度。 3.4.1 普通螺栓联接的强度计算 1.松螺栓联接松螺栓联接
松螺栓联接在装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷之前螺栓并不受力，所以
螺栓所受到的工作拉力就是工作载荷 F，故
螺栓危险截面拉伸强度条件为：
设计公式：
——螺纹小径，mm；F——螺栓承受的轴向工作载荷，N；[σ]——松螺栓联接的许
用应力，N/ ，
许用应力及安全系数见表 3-4-1。 2.紧螺栓联接紧螺栓联接紧螺栓联接有预紧力F′，按所受工作载荷的方向分为两种情况：（1）受横向工作载荷的紧螺栓联接受横向
工作载荷的紧螺栓联接
普通螺栓联接
铰制孔用螺栓
(a)普通螺栓联接普通螺栓联接:左图为通螺栓联接，被联接件承受垂直于轴线的横
向载荷。因螺栓普通螺栓联接杆与螺栓孔间有间隙，故螺纹不直接承受横向载荷，
而是预先拧紧螺栓，使被联接零件表面间产生压力，从而使被联接件接合面间产生的摩
擦力来承受横向载荷。如摩擦力之总和大于或等于横向载荷，被联接件间不会相互滑移，故可达到联接的目的。（b)铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓:承受横向载荷时，不仅可采用
普通螺栓联接，也可采用铰制孔用螺铰制孔用螺栓栓联接。此时，螺栓孔为铰制孔，与
螺栓杆（直径处）之间为过渡配合，螺栓杆直接承受剪切，如上图所示。在受横向载荷
的铰制孔螺栓联接中，载荷是靠螺杆的剪切以及螺杆和被联接件间的挤压来传递的。这
种联接的失效形式有两种：螺杆受剪面的塑性变形或剪断；① ② 螺杆与被联接件中较
螺栓连接的强度计算
二、螺纹防松
1、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成 摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零， 从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失 效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故 2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运 动的难度。
§6—3 螺纹联接和预紧和防松
一、预紧
螺纹联接：松联接——在装配时不拧紧，只存受外载时才受 到力的作用 紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受 力，预紧力QP 预紧目的——保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要 求，防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增 大刚性等。 增大刚性——增加联接刚度、紧密性和提高防松能力 预紧力QP——预先轴向作用力（拉力） 预紧过紧 —— 拧紧力QP过大，螺杆静载荷增大、降低本身强 度 过松——拧紧力QP过小，工作不可靠
3 3 1 2D d 0 T T T Q [ d t g ( ) f (1 ) ] 1 2 p 2 v c 2 2 2 3D d 1 0
2 3 2 f D d d 1 0 ——拧紧力矩系数 K [ 2 t g ( ) c( 1 ) ] v 2 2 2d 3 dD d 1 0
④分析：
图1，螺母未拧紧 螺栓螺母松驰状态
图２，拧紧—预紧状态 凸缘—压—λm — QP 栓杆—拉—λb →QP
螺栓强度计算
15.2.1 单个螺栓连接的强度计算
螺纹连接根据载荷性质不同，其失效形式也不同：受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的铰制孔用螺栓连接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，栓杆或被连接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或连接时常装拆，很可能发生滑扣现象。
螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d
1
，然后按照标准选定螺纹公称直径（大径）d，以及螺母和垫圈等连接零件的尺寸。
1. 受拉松螺栓连接强度计算
松螺栓连接装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前，除有关零件的自重（自重一般很小，强度计算时可略去。）外，连接并不受力。图15.3所示吊钩尾部的连接是其应用实例。当螺栓承受轴向工作载荷 F (N)时，其强度条件为
(15-6)
或
（15-7）
式中： d
1
——螺纹小径，mm；
[σ]——松连接螺栓的许用拉应力，Mpa。见表
15.6。
图15.3
2. 受拉紧螺栓连接的强度计算
根据所受拉力不同，紧螺栓连接可分为只受预紧力、受预紧力和静工作拉力及受预紧力和变工作拉力三类。
①只受预紧力的紧螺栓连接
右图为靠摩擦传递横向力F的受拉螺栓连接，拧紧螺母后，这时螺栓杆除受预紧力F`引起的拉应力
σ=4F`/πd
12
外，还受到螺纹力矩T1引起的扭转切应力：
对于M10～M68的普通螺纹，取d
1、d
2
和λ的平均值，并取φ
V
=arctan0.15，得τ≈0.5σ。由
螺纹强度校核公式
螺纹强度校核公式
国际上航空航天、消防救助和民用等诸多工业领域使用的储气瓶,正朝着工作压力高,储气量大并且更加安全可靠的方向发展。缠绕气瓶作为
国内外储气瓶的先进科学技术,较好地满足气瓶发展的需要。铝合金内胆作为缠绕气瓶的内衬,同普通的钢质内胆相比减轻了气瓶的重量,此外,铝
合金固有的氧化膜使该内胆具有较强的耐蚀性,延长了气瓶的使用寿命。
目前对该产品还没有相应的国家标准和行业标准,只有各企业制定的企业标准,企标中未能对内胆端部螺纹的强度提出明确计算方法。为了保
证安全,端部螺纹的强度需要进行校核计算。本文针对铝合金内胆端部螺纹的强度校核给出了3种计算方法。
1 计算方法简介
1.1 方法1
铝合金内胆端部内螺纹和螺塞外螺纹的旋合情况见图1,计算取值见图2。根据螺纹联接章节中螺纹牙强度校核的计算公式,内、外螺纹计算
公式分别如下:
(1)
其中,[τps] =0.5Rps (3)
[τp] =0.5Rp (4)
式中:τ内、τ外为螺纹承受的内、外切应力,MPa;
[τps]为瓶阀螺塞螺纹许用切应力,MPa;
[τp]为内胆端部螺纹许用切应力,MPa;
Rps为瓶阀螺塞材料的抗拉强度,MPa;
Rp为内胆材料的抗拉强度,MPa;
F为最大轴向载荷,N;
kz为载荷不均系数;
z为旋合螺纹牙数;
d1为外螺纹小直径,mm;
D为内螺纹大直径,mm;
d为螺纹公称直径,mm;
b为螺纹牙根部宽度,mm;
h为螺纹牙工作高度,mm;
普通螺纹的螺纹牙根部宽度b=0.87P(P为螺距)mm。
将式(1)～式(2)变化后得出内、外螺纹计算公式:
πDbz[τp]≥F(5)
铝合金构件螺栓连接承压性能分析与设计方法
铝合金构件螺栓连接承压性能分析与设计方法
张贵祥;石永久;王元清;程明
【摘要】研究了无预紧力作用时螺栓连接铝合金的孔壁承压性能,利用有限元软件ANSYS进行了参数分析,分析了两种在国内广泛应用的铝合金6061-T6511和5083-H321其端距、螺栓直径以及板厚等对承压性能的影响.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剪切破坏;当螺栓端距e＞3.5d0时,端距的增加对于承压强度的影响已比较小;铝合金板的承压强度与螺栓直径以及板厚大致呈线性关系变化;给出了铝合金螺栓连接在无预紧力并且1.5≤e/d0≤4情况下的承压强度公式.
【期刊名称】《桂林理工大学学报》
【年(卷),期】2006(026)004
【总页数】5页(P501-505)
【关键词】铝合金;螺栓;孔壁承压;参数分析;有限元法;计算公式
【作者】张贵祥;石永久;王元清;程明
【作者单位】清华大学,土木工程系,北京,100084;清华大学,土木工程系,北
京,100084;清华大学,结构工程与振动教育部重点实验室,北京,100084;清华大学,结构工程与振动教育部重点实验室,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TU512.402.6
铝合金具有质量轻、外形美观、耐腐蚀性好、易于维护等特性，并且其力学性能有很多与钢结构相似，在现代结构设计中铝合金得到越来越广泛的应用[1].由于焊接
会显著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连接中的应用范围要多于钢结构[2].
螺栓连接设计需要考虑节点的各种可能的破坏形式：螺栓破坏；连接板承压破坏；连接板撕裂破坏；净截面破坏[3].本文主要研究铝合金螺栓连接的第2种破坏形式——连接板承压破坏.连接板的承压破坏主要有两种形态：螺栓从端部撕裂和螺栓
铝合金受弯构件的整体稳定性分析
中国科学 E 辑: 技术科学
2007年 第37卷 第5期: 628~635
收稿日期: 2005-11-22; 接受日期: 2006-07-07
高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20050003080)资助项目 * E-mail:
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS 工字形铝合金受弯构件的整体稳定性分析
程 明* 石永久 王元清
(清华大学土木工程系, 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室, 北京 100084)
摘要 研究铝合金无侧向支撑受弯构件在各种荷载作用下的整体稳定问题. 介绍了国外现行铝合金规范中的受弯构件整体稳定性的设计方法; 通过有限元计算研究了材料热处理方式对铝合金受的整体稳定性的影响; 针对几个算例, 比较了各种规范计算结果与有限元计算结果. 以我国钢结构设计规范为基础, 参考欧洲铝合金规范、英国铝合金规范和美国铝合金规范, 适当修改了钢结构受弯构件稳定系数的计算公式, 提出了铝合金受弯构件稳定系数的计算方法. 通过对大量的有限元计算结果的统计分析, 验证了文中建议的铝合金受弯构件稳定系数计算公式的准确性. 通过与文献中试验结果的对比, 可以证明文中提出的设计方法能够很好的应用于实际设计中.
关键词 铝合金受弯构件 侧向失稳 稳定系数 有限元分析 设计方法
铝合金材料具有自重轻、可模性好、比强度高、防腐性能优良和可以循环利用等优点, 是可以大规模应用于建筑结构的理想结构材料. 欧美一些国家从20世纪中叶就开始大规模修建铝合金建筑, 结构形式也多种多样; 我国在20世纪末开始出现铝合金结构, 多数为铝合金网架、网壳结构[1].
铝合金模板计算书(顶撑、背楞、螺栓、销钉)
铝合金模板配件受力计算书
主要参数：梁高h=1200mm ，b=200mm ，板厚：150mm
铝型材6061-T6的强度设计值F 为276N/mm2
钢材Q235的强度设计值F=215 N/mm2
销钉与螺栓的强度设计值F=420N/mm2
铝模自重为22kg/ m2
钢材弹性模量 25/101.2mm N E ⨯=
Q420钢材抗剪 2/220mm KN fy =
Q235钢材抗剪 2/125mm KN fy =
1．顶撑验算
顶撑采用Q235的钢材，外管采用 φ60×2.0mm 钢管，插管为 φ48×3.0mm 厚，插销为 φ14mm 。本工程的计算高度为2800（实际2770）mm ，钢管支撑中间无水平拉杆。计算独立支撑高度最大为2800时的允许荷载，考虑插管与套管之间因松动产生的偏心为半个钢管直径。
插管偏心值 e=D/2=48.3/2=24.3
因此钢支撑按两端铰接的轴心受压构件计算
长细比： i ul i 0
==L λ
钢管支撑的使用长度l=2800
钢管支撑的计算长度 l l 0μ=
22.1299.112n 1===
++μ 12
I I n ==18.51/9.32=1.99 8
.1656.202800
22.1i l
===⨯μλ
i 为回转半径
1.1.1 钢管受压稳定验算
根据《钢结构设计规范》得 285.0=ϕ
N A N 5.26838215438285.0f ][2=⨯⨯=⋅⨯=ϕ
其中2A 为套管截面积
1.2钢管受压强度验算
插销直径 14，管壁厚3.0mm ，管壁的端承面承压强度设计值
2mm /325fce N =
铝合金网壳结构盘式节点受力性能有限元分析
铝合金网壳结构盘式节点受力性能有限元分析
王元清;柳晓晨;石永久;尹建;欧阳元文
【摘要】Based on the data from mechanical performance experiment under static inter-concentrated load,nonlinear finite element
analysis(FEA)of 3 different-sized TEMCOR joints used in aluminum alloy shell structures is con-ducted by ABAQUS. The mechanical behavior between TEMCOR joints and rigid joints is also compared. The nonlin-ear FEA results show that:when the joints are subjected to static inter-concentrated load,the forces acting on the plate are transmitted to I bars through the effect of bolts;the regions near the last row of bolt holes on the bottom and top flanges,and the bottom of contiguous web sequentially enter the plastic state;significant deformation and frac-ture occur on the bottom flange of the beam where bolt holes are arranged,which agrees with the experimental results;the bending capacity of TEMCOR joints is up to 80. 68%—86.42% of that of rigid joints,and the stiffness is up to 60.10%—67.73%;the stress distributions of the two kinds of joints are also similar. By the above results of ex-periment and
铝合金轴心受压构件的整体稳定性研究_石永久
数; k 2 为考虑焊接热影 响区的折减系数; A 为构件 截面面积, mm2 ; f 0. 2 为材料标准 强度, NPmm2 ; CM 是
材料分项系数, 取 1. 1。 V 的求法见图 1。
= KP( P EPf 0. 2 ) = K/ K0 , K为构件长细比。
( 4) 板厚偏 差的 影响 铝合金 轴心受压构件 一般通过挤压加工, 挤压型材的板厚不容易控制, 偏差 5% 左右; 当板厚小于 5mm 时, 偏差更有可能 达到 10% [ 2] 。厚度的不均匀会 造成加载时的 附加 偏心, Bernard 和 Frey 通过对圆 管柱子的一些 试验 研究[ 5, 6] , 第一次提出了这种偏差的影响。Faella 解 析了这种缺陷对方管承载力的影响[4] , 他假定厚度 偏差为 ? tP10。研究结果表明: 厚度偏差对柱子的 承载力影响很大, 尤其是对热处理合金甚至可以降 低 10% 以上的承载力。Mazzolani 研究表明[ 2] , 厚度 偏差对闭口构件的影响比对开 口构件的影响 大很 多。
文献标识码: A
Research of stability of aluminum alloy axial compression members
SHI Yong- jiu, CHENG Ming, WANG Yuan- qing
( Dept. of Civil Engineering , Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education M inistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
承压型高强螺栓受力性能试验研究
∞ Ｏ
’ ∞
试验的测量 、加载仪器及试 验方案同单个螺栓连接构件 。 应变片及百分表安装位 置如图 ５ 所示 。
０ ． ５ １ ． ０ １ ． ５ ２ ． ０ ７ ． ５ ３ ． ０
Ｏ （ １ ０
试验加载与单个螺栓 连接构件 相同 ， 每级加载为 ５ ０ ｋ Ｎ， 加
京： 中国建筑工业 出版社 。 １ ９ ９ １ ．
【 ３ 】 李 星荣． 钢结构连接 节点设计手册 （ 第 ２版） 【 Ｍ】 ． 北京： 中国建筑工 业出版社 ， ２ ０ ０ ５ ．
在正式加载 前 ，先预加载约 １ ０ ％的计算 抗滑移 荷载设计 值， 停２ ｍ ｉ ｎ ， 检查支 承系统 、 加 载系统 和数据采 集系统工 作运 转正常 ， 随后进行正式加载 ， 正式加 载采用分级加 载 ， 每级加载
． ．
［ ６ 】 徐建设 ， 陈以一， 韩琳 ， 等． 普通螺栓 和承压型高强螺 栓抗剪连接 滑 移过程忉． 同济大学学报 ， ２ ０ ０ ３ （ ５ ） ． 【 ７ 】 陈绍蕃顾 强． 钢结构【 Ｍ 】 ． 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， ２ ０ ０ ３ ． 【 ８ 】 隋永 礼， 陈派 明． 高强螺栓断裂 原因分析［ Ｊ 】 ． 材料开发 与应用 ， １ ９ ９ ５
高强螺栓群连接构件的抗剪 承载力试验结果如表 ２所示 。
试验结果表明 ， 螺栓群连接构件 的极限承载力在不同预拉
大截面铝合金轴压构件整体稳定试验研究
标 准 与 规 范
大 截 而 铝 合 金轴 压 构 件 整 体 稳 定 试 验 研 究
王 元 清 郑 韶 挺 王 中 兴 欧 阳 元 文 柳 晓 晨 曾 煜 华
加筋铝板设计计算方法与试验验证
提高铝板幕墙经济性的设计方法和试验验证
一、引言
铝板是一种新型建筑面材, 由于其金属的光泽、强度刚度好、表面平整性，受到建筑师的青睐，广泛应用于高挡建筑，铝板只有与加筋肋连接组成加劲板，才有足够的强度和刚度，因此，铝板与加筋肋应作为一个整体进行强度和刚度分析。可以借鉴飞机结构设计中蒙皮与桁条连结形式，充分发挥面板在整体的刚度作用。
以往铝板幕墙设计中存在的问题是：
1.铝板与加筋肋连接很弱，以单层铝板为例在一根加筋肋上只有
三个电栓钉与铝板固定，而且在加筋肋上螺栓孔是长条孔，这
种连结方式在铝板承受风荷载时，铝板与加筋肋之间螺栓不存
在剪切力，螺栓的作用仅仅是保持铝面板与加筋肋竖直位移一
致，低抗风荷载主要依靠加筋肋的刚度，当风压大的情况，为
了保证幕墙的强度和刚度只有加大加筋肋的剖面和数量，这是
结构效率很低的一种结构。
2.铝板与加筋肋连接的另一种型式为用双面胶带粘接，通常是分
段局部粘接，双面胶带通常认为有较强的粘接力，但数据显示其粘接强度属于较低，以3M双面胶带4950为例，抗拉粘度0.98Mpa，动态剪力粘度0.56Mpa，因此，单层铝板与加筋肋连接用3M胶带是不合适的，试验证明用3M胶带粘接的铝板产生较大的位移，在大的荷载作用下铝板弯曲，铝板与加筋肋之间有较大的剪切力，3M胶带提供不了那么大的抗力产生了滑移。
3.计算方法上
加筋肋铝板的强度刚度计算的基本假设：
a.加筋肋本身作为支承在两端的简支梁处理
b.铝面板被加筋肋分格成若干较小面积板块，铝板计算简化
为计算支撑于加筋肋和边缘的若干不同边界条件的小板进
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研 究， 提出了设计建议公式 。 中国于2007 年颁布的
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［7 ］
四川大学学报（ 工程科学版）
第 43 卷
铝合金结构设计规范 给出了铝合金板件螺栓连 其中构件的承压强度直接按照 接的相关设计公式， 欧洲规范 （ EC9 ） 取值， 而目前国内铝合金板件螺 栓连接的承压性能仍然需要进一步研究 。
铝合金材料最初在航空等领域取得了成功的应 用， 由于其自重轻、 耐腐蚀性和耐久性好等特点而被 引入了建筑结构领域。当前铝合金结构在中国已经 取得了成功的应用， 主要结构形式包括铝合金网壳、
［1 ］ 网架， 铝 合 金 桁 架 等， 展 现 了 良 好 的 应 用 前 景。 中国现代五项赛事中心游泳击剑馆位于成都市 ， 其
摘
要： 螺栓连接是铝合金结构中最常用的节点形式， 对铝合金板件螺栓连接节点的承压性能进行试验研究与分
析是十分必要的。结合建筑结构领域常用的 2 种铝合金材料 6061 － T6 和 6063 － T5 ， 设定螺栓直径和端距为试验 参数， 总共对 20 个螺栓连接节点试件进行了加载试验， 得出了节点试件的承压承载力以及荷载与螺栓孔变形的关 计算结果与试验值吻合良好； 基于试验验证的有 系。利用 ANSYS 建立了有限元模型对节点试件进行了数值模拟， 限元模型， 分析了螺栓端距、 预拉力和摩擦系数等因素对承压性能的影响， 总结提出了铝合金板件螺栓连接承压强 度的计算公式， 可以作为相关设计的参考依据 。 关键词： 铝合金； 螺栓连接； 承压性能； 计算方法 中图分类号： TU395 文献标志码： A
铝合金板件螺栓连接的承压破坏形态有 2 种： ［9 ］ 螺栓从端部拉脱和螺栓孔塑性变形被拉长 。 其 承压承载力需要同时考虑强度准则和变形准则 ， 考 ［10 ］ Kim 等 提出当螺栓孔变形 虑到正常使用的要求， 达到孔径的 30% 时， 认为螺栓连接不再适合继续承 EC9 也采用了这一限值规定。 载而达到了极限状态， 作者通过进行铝合金板件螺栓连接节点的承压 试验研究， 分析螺栓直径和端距对节点承压承载力 的影响。利用有限元分析手段对试验过程进行数值 模拟及参数分析， 探索铝合金板件承压强度的计算 方法。
表2 Tab． 2 试件编号及参数 Serial number and parameters of the specimens
螺栓孔端距 e 2 d0 2 ． 5 d0 3 d0 2 ． 5 d0 2 ． 5 d0 2 d0 2 ． 5 d0 3 d0 2 ． 5 d0 2 ． 5 d0 螺杆直径 d / mm 16 16 16 12 20 16 16 16 12 20
铝合金作为结构材料与碳素钢、 低合金钢的最 大区别就在于其本构关系的非线性 ， 没有屈服平台， 在设计计算中应该考虑材料的非线性对构件受力性 能的影响， 铝合金材料的本构关系可以采用经典的 RambergOsgood 模型［13］来描述：
n （ 1） ε = （ σ / E ） + 0 ． 002 （ σ / f0． 2 ） ， n = ln2 / ln （ f / f ） ， f f 其中 材料系数 0． 2 0． 1 0 ． 1 和 0 ． 2 分别
年建成的上海植物园展览温室采用了铝合金网架结 构， 使用了 6061 － T6 和 5083 － H321 这 2 种 铝 合 金， 节点处通过镀铬的摩擦型高强螺栓连接
［3 ］
。
由于焊接过程的热输入会显著降低铝合金母材 ［4 ］ 的强度， 而且检查与修复比较复杂 ， 因此在铝合 金结构中主要采用机械连接节点 。铝合金的弹性模 量较低， 而且是非线性材料， 使得其机械连接节点的 承载性能不同于钢结构螺栓连接节点， 国内已经有 ［5 ］ 学者进行了了相关研究。 马炳成等 对铝合金结 构中的虎克铆连接滑移机理进行了研究， 分析了接 触摩擦模型、 摩擦系数等对节点抗剪承载力的影响 。 李静斌等 采用试验与数值分析手段， 对铝合金双 盖板螺栓群节点与双 T 形节点的承载性能进行了
对应残余应变为 0 ． 1 % 和 0 ． 2 % 时的应力。
第5 期
王元清， 等： 铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法
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为铝合金板件的厚度。
表3 Tab． 3 铝合金板件试验承压承载力与变形 Bearing capacity and deformation of the specimens
准材性试件， 每种材料各做 3 个试件， 其尺寸参考金 ［12 ］ 属材料室温拉伸试验标准 。 通过单向拉伸试验， 得到材料的名义屈服强度 f0． 2 、 极限强度 f u 、 弹性模 量 E 和材料系数 n， 取 3 个试件的平均值， 结果列于 2 种铝合金材料的弹性模量均偏低， 可能与具 表 1。 体材料的批次以及加工工艺相关， 表 1 中的材性试 验结果可用来模拟试验结果， 而在后面的参数分析 ［7 ］ 中取用规范 规定的强度及弹性模量值。
Abstract： Twenty specimens of alloys 6061 － T6 and 6063 － T5 were tested，with screw diameter and end distance as testing parameters． Ultimate bearing capacities of the bolted joints were obtained，as well as the relationship between applied load and deformation of bolt hole． Corresponding numerical simulation was implemented on the basis of finite element（ FE） model set up by ANSYS software． The accuracy of the FE model was verified with respect to the perfect agreement between test results and those predicted by numerical simulation． The contribution of end distance，pretension and friction coefficient to the bearing capacity of bolted joints was elaborated． Eventually，a new computational formula for bearing capacity of bolted joint for aluminum alloy sheets was proposed． Key words： aluminum alloys； bolted joints； bearing capacity； computational methods
Experiments and Computational Method on Bearing Capacity of Bolted Joint for Aluminum Alloy Sheets
WANG Yuanqing1 ， YUAN Huanxin1 ， SHI Yongjiu1 ， ZHANG Guixiang2
表1 Tab． 1
牌号 6061 － T6 6063 － T5
试件材料属性
Material properties of the specimens
屈服强度 f0． 2 / 极限强度 f u / 弹性模量 E / 材料系数 MPa 285 145 MPa 296 182 MPa 46 000 53 000 n 30 15
3087 （ 2011 ） 05020306 文章编号： 1009-
铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法
1 1 1 2 王元清 ， 袁焕鑫 ， 石永久 ， 张贵祥
（ 1． 清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室， 北京 100084 ； 2． 北京万科企业有限公司， 北京 100125 ）
材料属性 6061 － T6 与 6063 － T5 这 2 种牌号的铝合金属 于铝镁硅系合金， 其挤压型材在建筑结构领域应用
［11 ］
广泛
。通过在挤压形成的铝合金板材上切取标
试件编号 6061 － 1 － 1 / 2 6061 － 2 － 1 / 2 6061 － 3 － 1 / 2 6061 － 4 － 1 / 2 6061 － 5 － 1 / 2 6063 － 1 － 1 / 2 6063 － 2 － 1 / 2 6063 － 3 － 1 / 2 6063 － 4 － 1 / 2 6063 － 5 － 1 / 2
［8 ］
1． 2
试件及加载试验
铝合金板件螺栓连接节点试件使用 16 mm 的 Q345 钢板作为外盖板， 采用一块 3 mm 厚的 Q345 钢板作为内辅助板， 另一块内板为铝合金试验板件， 内外板宽度均为 100 mm。 铝合金试件板一 共 20 块， 钻孔形成的螺栓孔径比螺杆直径大 0． 5 mm， 各 板件拼装如图 1 。
第 43 卷 第 5 期 2011 年 9 月
四川大学学报（ 工程科学版）
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE EDITION）
Vol． 43 No． 5 Sept． 2011
［6 ］
屋盖采用铝合金单层网壳， 铝合金材料牌号为 6061 ［2 ］ － T6 ， 网壳的铝合金节点采用螺栓连接 ； 在2001
收稿日期： 2010 － 11 － 12 基金项 目： 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 （ 20090002110046 ） 作者简介： 王元清（ 1963 － ） ， 男， 教授， 博导． 研究方向： 钢结构； mail： wang － yq@ tsinghua． edu． cn 铝合金结构． E-
图1 Fig． 1
板件拼装及尺寸
Test specimens and dimensions
1
1． 1
试验过程
Leabharlann Baidu
铝合金板件变化的参数包括端距与螺杆直径， 每种牌号的铝合金材料取 3 组不同的端距 e， 以分析 端距对其 承 压 性 能 的 影 响； 采 用 3 组 直 径 的 螺 栓 （ M12、 M16、 M20） 以分析螺栓直径 d0 的影响。 每组包 括 2 个相同的试件， 进行重复试验确保试验数据的准 确性。铝合金板件的试件编号及详细参数见表 2。
（ 1． Key Lab． of Civil Eng． Safety and Durability of China Education Ministry，Dept． of Civil Eng． ， Tsinghua Univ． ，Beijing 100084 ， China； 2． Beijing Vanke Corporation， Limited， Beijing 100125 ， China）
极限承载力 N c1 / kN N c1 ∶ dt 2 ． 32 f u 2 ． 80 f u 3 ． 32 f u 2 ． 81 f u 2 ． 74 f u 2 ． 36 f u 2 ． 83 f u 3 ． 39 f u 3 ． 08 f u 2 ． 82 f u 极限变形 / 变形控制的承压承载力 mm 5 ． 147 5 ． 897 7 ． 634 7 ． 396 6 ． 671 5 ． 218 4 ． 961 8 ． 778 5 ． 009 6 ． 727 N c2 / kN 32 ． 996 39 ． 520 44 ． 727 27 ． 543 48 ． 689 20 ． 644 24 ． 492 27 ． 710 19 ． 668 30 ． 787 N c2 ∶ dt 2 ． 32 f u 2 ． 78 f u 3 ． 15 f u 2 ． 58 f u 2 ． 74 f u 2 ． 36 f u 2 ． 80 f u 3 ． 17 f u 3 ． 00 f u 2 ． 82 f u
为了确保铝合金板件发生承压破坏， 采用 10． 9 级高强钢螺栓， 试验时用普通扳手拧紧螺栓， 不施加 预紧力。 在外盖钢板上开槽以实时量测荷载作用下铝合 金板件螺栓孔的变形， 具体做法是在螺栓孔对应的 然后在螺栓头和槽中铝合金试件板 钢盖板上开槽， 上粘接固定基座， 采用引伸计量测固定基座之间的 相对变形， 即可在试验中实时量测螺栓孔的变形量 。 加载装置为 100 kN 的拉伸试验机， 试件加载及量测 装置如图 2 所示。