端板连接高强度螺栓应力集中问题的分析与建议.pdf

- 1 -端板连接高强度螺栓应力集中问题的分析与建议端板连接高强度螺栓应力集中问题的分析与建议 张成雷 河海大学，南京（210098） E-mail：sdzhangchenglei@ 摘摘 要：要：运用 ANSYS 有限元软件分析了端板连接中高强度螺栓栓杆两端的应力集中问题， 通过分析发现受拉区螺栓在端板一侧的受力状态相对于柱翼缘一侧更为不利 建议在施工安 装中将螺栓头置于端板一侧，可以减少最不利位置的应力集中 关键词：关键词：端板连接；应力集中；有限元；最大主应力 正文正文 端板连接又称为端板螺栓连接， 是钢结构中梁柱连接节点的一种重要形式， 主要由端板、螺栓、端板加劲肋、柱腹板加劲肋和节点域柱翼缘等部分组成由于其构造比较复杂，所以要准确分析各构件的受力情况也比较困难目前，国内外对端板连接尚未形成一种成熟的、被广泛认可的理论，设计、施工中缺乏充分的依据，这在一定程度上制约了端板连接的推广和应用2】 端板连接中的螺栓一般采用高强度螺栓， 它是关键的受力构件， 因此也是理论研究的重点之一栓杆两端与螺栓头和螺母交接的位置，由于截面面积突然变化，很容易发生应力集中 加上不同位置的螺栓在工作过程中受力很不均衡， 导致螺栓在某些位置的受力状态很不利。

本文运用 ANSYS 有限元软件，分析了栓杆两端的应力集中问题，并就现状提出了改进建议 1 有限元模型有限元模型 1.1 几何尺寸几何尺寸 梁截面尺寸(高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度)为 300 mm×200 mm×8mm×12mm，柱截面尺寸均为 300mm×250mm×8mm×12mm，柱翼缘在端板外伸边缘上下各 100mm 范围内局部加厚，厚度与端板厚度相同梁悬挑长度 1200 mm（端板外侧至梁端加载点），柱上下伸出长度各 1000mm 端板尺寸(高度×宽度×厚度) 为 500 mm×250 mm×20mm螺栓采用 10.9 级，M20 高强度螺栓，取有效直径 17.65mm螺栓布置如图 1 所示 - 2 -图 1 螺栓布置平面图 此外，柱腹板在受剪处设置加劲肋，端板伸出部分也设置加劲肋由于节点的几何形状及所受荷载都关于梁柱轴线所在平面对称， 故而只建立了对称面一侧的模型以减少计算机运算量模型节点的构造如图 2 所示 图 2 梁柱节点图 1.2 单元及材料属性单元及材料属性 采用 ANSYS 三维 10 节点四面体单元 SOLID92 对所有实体进行模拟，用三维目标单元TARGE170 和接触单元 CONTA174 创建端板与柱翼缘之间的接触对， 通过 PSMESH 生成三维预拉单元 PRETS179 对螺栓施加预紧力。

所有材料的弹性模量均取 E=2.06×105MPa,泊松比均取 0.3所有材料的应力—应变关系均采用理想弹塑性高强度螺栓(包括螺栓头、栓杆和螺母)的屈服强度为 940MPa;其余材料的屈服强度为 345MPa，每个高强度螺栓施加预拉力 155KN端板与柱翼缘间摩擦面的抗滑移系数为 0.4 1.3 边界条件及加载过程边界条件及加载过程 柱子上下两端固定，在梁端施加集中荷载整个计算过程分两个荷载步:第一荷载步施加螺栓预紧力荷载;第二荷载步使用位移逐级加载,在梁端施加竖向位移荷载,最大加载位移120mm两个荷载步均使用自动时间步长 2 计算结果及分析计算结果及分析 - 3 -2.1 分析内容及方法分析内容及方法 一般情况下， 端板连接中高强度螺栓的破坏主要是拉力所致， 本文模型中位于受拉区的是第一二排螺栓【1】，故而只提取了这两排螺栓的计算结果加以分析 螺栓的受力状态用最大主应力σ来评定，它可以较准确的反映出材料的实际受力情况本文通过螺栓剖面的最大主应力分布图及截面变化处的最大主应力值对螺栓的受力进行分析 2.2 施加预紧力后螺栓的受力情况分析施加预紧力后螺栓的受力情况分析 第一荷载步施加预紧力之后，尚未进行梁端加载之前，各排螺栓的受力情况基本相同，其中第一排螺栓纵向剖面的最大主应力分布如图 3 所示。

图 3 预拉后第一排螺栓剖面最大主应力图 由图 3 可见，在栓杆两端与螺栓头及螺母交接的位置出现了应力集中此外，由于荷载的对称性，栓杆的应力分布是左右对称的（本文中端板一侧为右，柱翼缘一侧为左）其他各排螺栓的最大主应力分布也有相同的特征 从 ANSYS 计算结果中提取了交接位置的最大主应力（因对称仅提取右端数据），并统计其平均值、最大值等如表 1 所示： 表 1 预拉后栓杆右端最大主应力统计表 最大值（Mpa）平均值（Mpa）差值（Mpa）螺栓 1 1637.4 793.2 844.2 螺栓 2 1631.3 802.2 829.1 由表 1 可见，此时第一二排螺栓应力状态基本相同第一排螺栓的最大应力为 1637.4 Mpa，超出平均应力 844.2 Mpa，第二排螺栓的最大应力为 1631.3 Mpa，超出平均应力约一倍，应力集中较严重 2.3 节点破坏时螺栓的受力情况分析节点破坏时螺栓的受力情况分析 第二荷载步施加梁端竖向荷载， 最后第一排螺栓受拉达到极限而破坏， 此时第一二排螺 - 4 -栓纵向剖面的最大主应力分布如图 4、图 5 所示 图 4 节点破坏时第一排螺栓剖面最大主应力图 图 5 节点破坏时第二排螺栓剖面最大主应力图 由图 4、图 5 可见，节点破坏时，第一二排螺栓栓杆的应力分布已有明显不同，而且每个螺栓自身的应力分布也不再对称。

提取栓杆左右端有限元分析数据， 并统计其应力平均值、最大值等如表 2 所示： 表 2 节点破坏时栓杆端部最大主应力统计表 最 大 值（Mpa）平 均 值（Mpa）差值（Mpa）螺栓 1 1998.2 947.7 1050.5 右端 螺栓 2 1818.2 1032.3 785.9 螺栓 1 1598.9 922.6 676.3 左端 螺栓 2 1667.6 1019.3 648.3 由表 2 可见，第一排螺栓右端的最大应力为 1998.2Mpa，相应的差值为 1050.5Mpa，在所有位置中应力集中现象最严重 此外，通过比较还可以发现，第一排螺栓右端的最大应力、平均应力和差值都分别大于左端的相应值，第二排螺栓也存在同样的现象 - 5 -3 结论和建议结论和建议 从上述分析中可以得出结论， 端板连接中的高强度螺栓在栓杆两端截面变化处存在较严重的应力集中，而且，在端板一侧的受力状态相对于柱翼缘一侧更为不利 因此，笔者提出两点改进建议： （1）在施工安装过程中，将螺栓头置于端板一侧因为栓杆与螺栓头交接位置的形状通常都加工成较缓和的圆弧形倒角， 有利减少应力集中， 将其安置在最不利位置可以更好的发挥螺栓的受力性能。

（2）将普通螺母加以改进，使其带有突起的圆弧形倒角，如图 6 所示，这样在栓杆与螺母之间也形成一个类似于螺栓头的圆弧过渡，可以减少应力集中 图 6 带圆弧形倒角的螺母 参考文献参考文献 【1】陈绍藩.门式钢架端板螺栓连接的强度和刚度【J】.钢结构，2000，6（1）：6-11 【2】郭兵，顾强.多层钢框架中梁柱端板连接的强度和刚度，建筑结构学报，2004 年 第 25 卷 第 2 期：27 －31 【3】施刚，石永久，王元清等. 多层钢框架半刚性端板连接的试验研究，清华大学学报（自然科学版）2004 年 第 44 卷 第 3 期：391-394 【4】CECS 102:2002, 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程【S】.北京：中国计划出版社，2003 Analysis and suggestion on stress concentration of bolt for structural steel end-plate connections Zhang Chenglei HoHai University,Nanjing,China（210098) Abstract Through an analysis by ANSYS on stress concentration of bolts for structural steel end-plate connections,a conclusion can be drawn that the bolts at the side of the end-plate suffer more force than those at the side of the column flange.Suggestions that putting the heads of the bolts at the side of the end-plate are given to decrease stress concentration at the most dangerous position. Keywords: end-plate connection;stress concentration;finite element;maximum principal stress 。