高强度螺栓连接抗剪非线性简化模型

发布时间：2020-06-15 16:43

【摘要】：高强度螺栓连接因为具有施工安装方便、可替换、连接紧密、能够承受动荷载等优点,被广泛使用在大跨度桥梁和工民建钢结构中。高强度螺栓连接节点作为主要的传力构件,在结构中受力复杂,往往容易发生破坏。剪切破坏是高强度螺栓连接的主要失效形式之一,因此对高强度螺栓连接在剪力作用下受力机理、承载能力和破坏形式进行研究十分必要,具有重要的理论意义和工程实用价值。在对高强度螺栓连接进行研究时多采用试验方法或者建立实体有限元模型的方法。试验的方法成本较高、耗时费工,受影响因素较多;目前常用的对高强度螺栓连接的有限元建模方法,考虑材料、接触非线性行为,计算时间较长,特别是要对大型的复杂的螺栓群进行全面、准确的模拟是十分困难的。因此,本文根据高强度螺栓连接受力特性,提出一种高强度螺栓连接抗剪简化力学模型。结合简化模型对高强度螺栓连接结构进行有限元建模计算、参数分析和试验验证,结果表明提出的高强度螺栓连接抗剪非线性简化模型,能够有效简化计算,并保证计算的准确性。论文的主要工作和结论如下:1.介绍了高强度螺栓连接的发展历史、研究现状及高强度螺栓连接抗剪承载力计算理论。对模拟高强度螺栓连接结合部的几种常见的力学模型进行介绍,根据高强度螺栓连接的受力特性,采用两个串联的Jenkins单元来模拟高强度螺栓连接抗剪过程,得到其恢复力表达式。2.采用有限元软件建立高强度螺栓连接非线性模型,该模型计算得出的整体力-位移曲线以及破坏形式,与经典试验结果十分吻合,证明了高强度螺栓连接非线性建模方法合理性和准确性。3.通过有限元模型进行参数分析,研究螺栓直径、芯板厚度、盖板厚度、抗滑移系数、螺栓和钢板屈服强度等影响因素对高强度螺栓连接抗剪性能的影响,通过参数分析对比,总结出高强度螺栓连接抗剪非线性简化模型的_1f、f_2、X_1、X_2、X_3等参数的计算公式或建议值。4.设计高强度螺栓连接抗剪承载力试验,试验结果表明各特征值与简化模型计算结果相近,试验得到的试件在剪力作用下的力-位移曲线与采用抗剪非线性简化模型计算的曲线吻合良好,说明提出的高强度螺栓连接抗剪非线性简化模型能够描述高强度螺栓连接的抗剪全过程。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU391
【图文】：

第一章绪论1.1 研究背景随着我国工程建设的不断发展，钢结构应用的范围越来越广泛[1]。钢结构具有轻质高强、抗震耗能好、工业化程度高、施工安装方便、可回收循环利用等诸多优点，可以满足建筑设计的多功能、多用途、造型新颖等需求。在大跨度桥梁、高层及超高层建筑、空间结构、轻型及重型工业厂房、综合交通枢纽、地下结构和海洋结构等得到大范围应用，成为了重要建筑结构体系[2]。在桥梁中将上部结构的主要承重部分用钢材制成的称为钢桥[3]。钢桥在大、中、小跨径都可适用。在进行公路桥梁设计时，对于跨径小于 50m 的桥梁应首选钢筋混凝土桥，为了快速施工也可以选择修建钢桥；对于中、大跨径桥梁，是选择预应力混凝土梁桥、钢桥或者钢筋混凝土拱桥，要从技术、经济、安全等多方面考虑；而对于超大跨径的桥梁，非钢桥莫属。在我国铁路桥梁的建设中，对于中、大跨径桥梁多以钢桥为主[4]。如图 1.1(a)为合肥南环线南淝河钢桁梁柔性拱特大桥，1.1(b)为北盘江特大桥。

破坏情况,螺栓,节点,焊缝连接

(a) 钢桁梁节点 (b) 缺失及折断的螺栓图 1.2 节点处螺栓破坏情况Fig 1.2 Bolt damage at the node钢结构的连接形式主要有焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接，其中焊缝连接和螺栓连接采用较多，铆钉连接已经较少采用[3]。焊缝连接即在构件连接处，通过加热产生高温，将置于焊缝补位的焊条或者焊丝金属熔化，而使构件连接在一起。焊缝连接是目前钢结构中最主要的连接方式，其优点有：构造简单，加工较方便；不会削弱构件截面，节约了钢材；连接的密封性好，结构的整体刚度大；易于采用自动化操作，保证焊接结构的质量。但是焊缝连接也存在以下缺点：焊接残余应力和残余变形对结构的受力是十分不利的；焊缝附近的受热区会对钢材的性能发生改变，导致材料变脆；焊缝连接结构对裂缝比较敏感，一旦发生局部裂缝，容易扩展到整体；焊接结构的低温冷脆问题也是比较突出的。焊接已广泛用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结构中。

【参考文献】