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、