高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响

高强度螺栓不同拧入深度对螺栓球节点受拉承载力的影响付宜东;陈烨;毛泽亮;朱文艳;黄炳生【摘要】本文运用ABAQUS有限元软件对不同螺栓拧入深度的螺栓球节点进行了受拉承载全过程分析，与受拉螺栓球节点试验结果的对比验证了计算模型的准确性。

有限元分析结果表明：不同的螺栓拧入深度，螺栓球节点发生不同的破坏模式。

当螺栓拧入深度小于0�94d（ d为螺栓直径）时，两者相互咬合接触的螺纹发生破坏，且螺栓球节点的受拉承载力与螺栓拧入深度成正比。

当螺栓拧入深度不小于0�94d时，高强螺栓受拉断裂破坏。

通过对有限元分析结果的拟合，得到螺栓球节点受拉承载力与螺栓拧入深度的关系式。

%The enough screwing depth can ensure the safety of grid structure. In this paper, ABAQUS finite element software was used to analysis the ultimate capacity of bolt⁃sphere joint with the different depths of the bolt screwed into bolt⁃sphere. The accuracy of the finite element calculation model was proved by comparing the test results and finite element analysis. The numerical results showed that two different failure modes can be obtained when the depth of bolt screwed into bolt⁃sphere was different. When the depth of bolt screwed into bolt⁃sphere was less than 0�94 times of bolt diameter, the contact screws of the bolt and bolt⁃sphere were destroyed. The ultimate bearing capacity was proportional to the depth of bolt screwed bolt⁃sphere. When the depth of bolt screwed into bolt⁃sphere was no less than 0�94 times of bolt diameter, the high⁃strength bolts was destroyed. The relationship between bearing capacity and the depth of bolt screwed bolt⁃sphere fitted the numerical results.【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(039)001【总页数】6页(P106-110,119)【关键词】螺栓球节点;高强度螺栓;拧入深度;有限元分析;受拉承载力【作者】付宜东;陈烨;毛泽亮;朱文艳;黄炳生【作者单位】南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800;南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211800【正文语种】中文【中图分类】TU391随着工业技术的进步和生活水平的提高,人们对大跨度、大空间结构建筑的需求不断增加。

空间网格结构由于自重轻、承载力高、刚度大、连接简便可靠、易加工制作、综合技术经济指标好等优点已在国内外得到广泛的推广和应用[1]。

螺栓球节点是双层空间网格结构中最常用的节点形式,节点的安全可靠关系着结构的安全性。

连接各杆件的螺栓球节点由于施工时高强螺栓拧入深度不足导致安全隐患、引发安全事故的案例不在少数。

例如:2005年4月10日,西北地区某工程屋面网格结构由于施工单位在工程施工期间高强螺栓假拧紧导致高强螺栓从螺栓球中拔出,网架坍塌[2];2005年7月8日,正在建设中的内蒙古新丰热电项目主厂房球形网壳结构突然坍塌,事后分析原因，发现部分高强螺栓未按照规范完全拧入螺栓球中,导致高强螺栓从螺栓球中挣脱出来,相互接触的螺纹受拉破坏[2];2008年某发电厂干煤棚螺栓球节点网壳结构倒塌[3],现场调查表明网格竖向部分3.5 m高处有19个支座处螺栓球节点破坏,部分高强螺栓从螺栓球中拔出。

拧入深度不足会导致网格结构倒塌造成严重经济损失,我国规范[4]中规定设计时螺栓球节点中高强螺栓拧入深度ξ取1.1d(d为螺栓直径),由于安装施工等误差造成拧入深度ξ<1.1d时,螺栓球节点能否安全使用未见相关文献[5-8]。

本文运用ABAQUS有限元软件对不同螺栓拧入深度的螺栓球节点进行受拉承载全过程分析,得到不同螺栓拧入深度的螺栓球节点的受拉承载力。

为了与试验对比，本文选取3组螺栓球节点试件进行有限元分析,试件由高强螺栓和螺栓球组成。

第1组试件为由M20高强螺栓和直径100 mm的螺栓球组成,第2组试件为M24高强螺栓和直径100 mm的螺栓球组成,第3组试件由M30高强螺栓和直径120 mm的螺栓球组成,每组试件设置3种拧入深度,拧入深度ξ分别为0.8d、0.9d和1.0d。

1.1 几何模型采用ABAQUS软件建立螺栓球节点有限元计算模型,螺栓球和高强螺栓均采用三维的实体模型,由于建立真实的螺旋上升的螺纹计算不易收敛,为此采取在螺栓和螺栓球上设置平面齿形螺纹,该螺纹围绕中心轴旋转360°,建立的模型如图1和图2所示,这种简化模型与真实的螺旋上升模型最大计算误差仅1%[9]。

为了减少计算工作量,利用对称性,按1/2螺栓球节点建模计算。

1.2 参数输入高强螺栓和螺栓球材料采用40Cr和45号优质碳素钢加工而成。

高强螺栓材料的抗拉强度(fu)和屈服强度(fy)取试样的试验结果,M20、M24高强螺栓的抗拉强度和屈服强度分别为fu=1 193.5 N/mm2、fy=993.8 N/mm2,M30高强螺栓抗拉强度和屈服强度分别为fu=925.5 N/mm2、fy=833.0 N/mm2,螺栓球材料的力学性能参考文献[10]中数据,取抗拉强度和屈服强度分别为fu=820.2 N/mm2、fy=620.0 N/mm2,高强螺栓和螺栓球弹性模量取E=206 kN/mm2。

高强螺栓和螺栓球本构关系均简化为二折线模型。

1.3 边界条件高强螺栓和螺栓球螺纹处按面面方式相互接触,切向摩擦系数取0.3[10],法向设置为硬接触。

螺栓球对称面处边界条件设置为完全约束,即约束沿X、Y、Z轴方向位移和绕X、Y、Z轴转动的6个自由度。

高强螺栓受拉一端采用位移控制,建立好的节点约束条件见图3。

1.4 网格划分及单元类型选中整个螺栓球节点设置全局种子数为4，见图4,考虑螺纹处布置全局种子自动划分网格不易收敛计算,故对螺栓球节点螺纹处的种子进行加密设置,设置螺纹交接处的螺栓外径和凹槽处螺栓内径局部种子个数分别为20和16个，见图5和6,网格依据布置的种子进行体单元自动划分。

考虑节点为三维模型及螺纹处易收敛计算,单元类型设置为十节点二次四面体即C3D10,划分后的螺栓球节点见图7。

不同螺栓不同的拧入深度的螺栓球节点受拉承载力有限元分析结果见表1和图8。

由图8可见：有限元荷载(F)-位移曲线与试验曲线形态一致。

从表1中可知：有限元相比试验极限承载力大3.0%～9.3%,误差在合理范围之内,从而验证了有限元模型的正确性。

进一步分析两者误差的原因可知有限元模型为理想材料[11-12],试验试件存在初始缺陷[13]。

计算结果分析表明:不同的高强螺栓拧入深度,螺栓球节点的受拉破坏模型不同,高强螺栓拧入深度ξ≤0.9d时,高强螺栓与螺栓球螺纹咬合破坏,螺栓从球内拔出导致螺栓球节点丧失受拉承载力;拧入深度ξ≥1.0d时,高强螺栓在螺栓球切削面处达到承载力导致螺栓球节点受拉破坏。

由于M20、M24和M30螺栓球节点应力云图表现出的规律一致,只截取M20螺栓球节点应力云图,见图9,从图9(a)和图9(b)中可以看出：螺栓和螺栓球相互接触的螺纹处网格单元先屈服进入塑性状态,高强螺栓从螺栓球中拔出。

从图9(c)中可以看出：高强螺栓螺杆网格单元受拉屈服,高强螺栓受拉破坏。

为进一步分析两种破坏模型的分界点和不同高强螺栓拧入深度螺栓球节点受拉承载力,对每组试件继续计算拧入深度为0.40d、0.50d、0.60d、0.70d、0.93d、0.94d时的承载力,计算结果见表1。

从表1中可以看出：当螺栓拧入深度ξ=0.94d时,螺栓球节点承载力与ξ=1.0d时的节点承载力相当,螺栓受拉断裂破坏;当螺栓拧入深度ξ=0.93d时,节点承载力明显小于ξ≥0.94d时的节点承载力,螺栓从球内拔出破坏。

从图10可以看出,当螺栓拧入深度ξ<0.94d时,节点极限承载力值与拧入深度几乎呈线性关系。

对拧入深度ξ<0.94d时的螺栓球节点有限元分析所得承载力用Origin软件进行公式拟合,拟合结果见图10,3种高强螺栓的拟合曲线公式可统一为式(1),其拟合优度为0.971,不同高强螺栓拧入深度的螺栓球节点承载力拟合曲线见图11。

承载力式(1)的计算值与有限元结果对比见表1,从表1中可看出有限元数值与式(1)结果十分接近,表明拟合出的螺栓球节点承载力表达式精度很好。

式中：拧入深度系数ξ=h/d,h是高强螺栓拧入螺栓球深度，F0为单个高强螺栓极限抗拉承载力。

1)当螺栓拧入深度ξ≥0.94d时,螺栓球节点发生高强度螺栓受拉断裂破坏,当螺栓拧入深度不足0.94d时,高强螺栓从螺栓球中拔出。

为保证螺栓球受拉节点的安全性,螺栓拧入深度建议应不小于螺栓直径。

2)当螺栓拧入深度不足0.94d时,不同螺栓拧入深度的螺栓球节点极限承载力随着拧入深度的减少呈线性降低。

3)本文给出的螺栓球节点极限承载力拟合式能较好地反映螺栓球节点不同螺栓拧入深度时节点受拉极限承载力。

【相关文献】[1] 刘锡良.中国空间网格结构三十年的发展[J].工业建筑,2013,43(5):103.[2] 郝成新,钱基宏,宋涛.网架事故原因分析[J].工程质量,2009,27(4):61.[3] 易贤仁,陈绍元,司敏.发电厂干煤棚螺栓球节点网架节点破坏分析[J].华中科技大学学报(城市科学版),2009,26(3):71.[4] 中国建筑科学研究院.空间网格结构技术规程：JGJ7—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.[5] DAVOODI M R,PASHAEI M H,MOSTAFAVIAN S A.Experimental study of the effects of bolt safety on the behavior of MERO-type double-layer grids[J].International journal associate shell spat structure,2007,48(1):45.[6] PASHAEI M H,DAVOODI M R,NOOSHIN H.Effects of tightness of bolts on the damping of a MERO-type double layer grids[J].International journal space structure,2006,21(2):103.[7] MAKOWSKI Z S.Analysis,design and construction of double-layergrids[M].London:Applied Science Publishers Ltd,1981.[8] COLLINS J A.Failure of materials in mechanica design[M].New York:Wiley,1981.[9] 刘丽君.螺栓球节点网架用高强螺栓的疲劳影响因素及缺口效应分析[D].山西：太原理工大学,2003.[10] 胡昌明,贺红亮,胡时胜.45号钢的动态力学性能研究[J].爆炸与冲击,2003,23(2):188.[11] 蒋丽.拉力作用下高强螺栓连接的有限元模拟[J].山西建筑,2006,32(21):56.[12] 何平,刘光复,谷叶水，等.基于三维精确建模法的螺栓有限元分析[J].中国机械工程,2012,23(16):1991.[13] 王晓青,夏水华.螺栓断裂影响因素与影响机制[J].起重运输机械,2010(11):45.。