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加固用栓焊连接受力性能有限元分析

发布于:2022-12-05 22:25
有限元分析

      在《钢结构高强度螺栓连接技术规程》,提出了栓焊并用的连接形式,即在一个连接节点中,摩擦型高强度螺栓连接和角焊缝焊接连接并用,且承受同一剪切荷载作用。这一连接方式能够很大程度上提高连接的抗剪强度,当采用螺栓连接设计强度不足或是使用荷载增大等情况下,栓焊并用连接是一种有效的加固改造方法。
      在《钢结构加固技术规范》中也提到:在同一受力部位连接的加固中,不宜采用刚度相差较大的混合连接方式,但如有根据可采用焊缝和摩擦型高强度螺栓共同受力的混合连接。同时还规定:用焊缝连接加固螺栓时,应按焊缝承受全部作用力设计计算其连接,不考虑焊缝与原有连接件共同工作。
      “规程”征求意见中提出:栓焊并用连接的施工顺序为先高强度螺栓紧固,后实施焊接,焊缝形式应为贴角焊缝。
      本文针对上述加固用栓焊并用连接的受力进行有限元分析,讨论了3种不同构造形式的合理性及优缺点,并对焊缝的高度进行了参数分析。为这种连接方式的设计提出了设计建议。
      采用有限元软件ANSYS对栓焊并用连接进行分析。选定的算例如下:板件采用Q345,板厚12 mm;螺栓选用10.9级M20摩擦型连接高强度螺栓,沿剪力方向布置两排(共6个),钢板做喷砂处理,根据《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)得到摩擦系数为0.45。有限元建模时,螺栓间距及端距、焊缝的尺寸等均满足 “规范”(GB 50017-2003)的构造要求。同时根据“规范”(GB 50017-2003)可以计算得到所选模型的螺栓抗滑移承载力设计值以及焊缝的抗剪承载力设计值。采用ANSYS提供的solid92和solid95建立三维实体模型。钢板钢材塑性段采用随动强化模型,屈服强度选取标准值345MPa,泊松比v0.3,屈服后弹性模型取屈服前的1/200;而螺栓的材性数据采用已有的试验数据。采用E50焊条焊接,焊缝的屈服强度由计算得到,其中焊条的屈服强度,母材的屈服强度,极限强度与焊材取值相同。为了模拟试件的破坏,对焊缝采用三折线模型:在达到屈服强度之后,材料出现上升段,强化刚度为E/100,达到极限强度后出现下降段,刚度为E/100。根据对称性只建立1/2模型,并施加对称约束。由于“规程”(征求意见稿)中要求栓焊并用连接的施工顺序为高强度螺栓紧固,后实施焊接,所以在有限元计算的过程中需要用到ANSYS提供的生死单元的功能,其具体计算步骤如下:1)建立包括焊缝在内的完整有限元模型;2)“杀死”焊缝上的所有单元,然后计算螺栓施加预应力的过程;3)“激活”焊缝上的单元,在板端施加荷载。
      不同的焊缝形式(侧焊缝、端焊缝、端焊缝和侧焊缝并用)对连接最终的抗剪承载力影响较大。“规程”(征求意见稿)中针对不同焊缝形式提出了不同的计算公式。在这一部分的计算分析中,焊脚尺寸均采用8 mm。不同焊缝形式栓焊并用连接作用下,受拉板端的荷载一位移曲线,并与“规程”(征求意见稿)给出的公式进行比较。没有焊缝情况下,摩擦型连接高强度螺栓抗滑移的荷载位移曲线,并与“规范”(GB 50017-2003)设计值进行比较。


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