高强度摩擦型螺栓节点板有限元分析

摘要随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。整个结构是由构件和节点构成的，单个构件必须通过节点相连接，协同工作才能形成结构整体。即使每个构件都能满足安全使用的要求，但如果节点设计处理不恰当，连接节点的破坏也常会引起整个结构的破坏。可见，正确的节点设计十分重要。

本文就是利用ANSYS对钢结构节点(两段工字钢用高强度摩擦型螺栓通过连接板件连接构成的节点)进行研究，为钢结构节点的研究出一份力，同时提高我们对钢结构节点的认识。

关键词构件 节点 高强度摩擦型螺栓 工字钢 钢结构

1、模型尺寸

如上图所示，工字钢翼缘宽299mm，高23mm。工字钢腹板宽15mm，高844mm。两段工字钢用高强度摩擦型螺栓连接，每段工字钢长200mm，连接间隙为5mm。连接板件长365mm，宽10mm，高740mm。高强度螺栓的公称直径为M24，螺栓孔的直径应该比螺栓直径略大，所以螺栓孔直径取为26mm，螺栓头部直径为40mm。

螺栓在构件上的排列应同时满足连接的受力，构造和施工等要求。受力要求：端距不能太小，要求端距不小于2d，d为螺栓孔直径。螺栓距也要适当。构造要求：当螺栓距过大时，被连接板件的接触就不紧密，潮气就会侵入板件间的缝隙内，造成钢材锈蚀。所以螺栓距和线距，特别是处于边缘的端距和边距均不能太大。施工要求：布置螺栓时必须考虑到采用扳手拧紧螺母的可能性，这都要求有一定的施工净空，否则就无法施工。

综合上述三个方面的要求，螺栓的排列如上图所示。

2、剪力和弯距共同作用下的分析

图2-1是剪力和弯矩共同作用下的钢结构螺栓节点的有限元模型。

两段工字钢连接，一端固定，一端施加剪力和弯矩。剪力和弯矩的施加方法和前面单独施加的方法一样。在中间腹板每个节点上施加4KN集中力（Y方向），在翼缘每个节点上施加0.5KN集中力（Y方向）。由于工字钢横截面上有94个节点（腹板上有54个节点，翼缘上有40个节点），所以总的剪力为236KN。在工字钢上下翼缘处施加成对轴力来代替弯矩。第1行每个节点施加17KN集中力（X方向），第2行每个节点施加67KN集中力（X方向），第3行每个节点施加13KN集中力（X方向），总的弯矩为350KNm。图中，两个模型上作用的荷载加起来是本工况中的外荷载。

2.1对X向正应力的分析

图2-2是剪力和弯矩共同作用下的钢结构螺栓节点构件X向应力云图。

首先分析工字钢腹板。

总体来看，工字钢腹板的应力分布十分清楚。应力主要分布在左侧工字钢，右侧工字钢基本无应力分布。从图中可以看出两个明显的应力集中区域（一个为拉应力集中区域，一个为压应力集中区域）。应力从这两个区域由大到小（看绝对值）向周围扩散。沿Y方向，应力分布呈驼峰状。

然后分析连接板件。

总体来看，连接板件的应力分布也十分清楚。从图中可以看出两个明显的应力集中区域（一个为拉应力集中区域，一个为压应力集中区域）。应力从这两个区域由大到小（看绝对值）向周围扩散。沿Y方向，应力分布呈沙漏状。

2.2对Y方向正应力及XY面内剪应力的分析

图2-3是剪力和弯矩共同作用下的钢结构螺栓节点构件Y向正应力及XY面内剪应力云图。

先对Y方向正应力分析

总体来看，工字钢腹板的应力分布十分清楚。左侧工字钢基本无应力分布，应力主要分布在右侧工字钢。沿X方向，第1至3行螺栓范围内，应力由小到大；第7至9行螺栓范围内，应力由大到小，此范围内的应力变化比第1至3行螺栓范围内的应力变化剧烈，尤其注意此范围内的两个应力集中区域。沿Y方向，在右侧工字钢左右两边缘范围内，应力呈驼峰状分布。

再对XY面内剪应力分析

先分析右侧工字钢，沿X方向，中间7行螺栓范围内，应力由小到大。其余两部分范围内，应力中间小，两端大。沿Y方向，应力中间大，两端小，越靠近右侧，应力总体水平越高。

再分析左侧工字钢，从图中可以看到两部分正值剪应力分布区域，其余部分基本无应力分布。

3、结论

对于应力较小的区域，从各个图中可以看出，其分布较为缓和，规则。所以，本文只注意分析应力较大区域，这些区域就是通常所讲的危险区域。

剪力和弯矩共同作用时。

连接板件X方向正应力较大区域同只有剪力时。工字钢腹板X方向正应力较大区域同只有剪力时，只是分布面积比较大，且更靠近中性轴。Y方向正应力较大区域同只有弯矩时。只是右侧工字钢同只有弯矩时，第4列中间5个螺栓处有较大正向剪应力。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。