一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法，在鋼結構承載的有限元計算中，通過測試螺栓滑移參數(shù)，根據(jù)已有的螺栓滑移模型，計算螺栓滑移載荷變形曲線，修正鋼結構材質(zhì)本構模型，在其應力應變曲線的彈性變形階段增加應力應變松弛段，將鋼結構螺栓滑移造成的局部幾何非線性等效為材料非線性，便捷地計算螺栓滑移對鋼結構的承載影響。本發(fā)明的方法簡化了鋼結構螺栓滑移計算過程、增強了計算收斂性，提高了計算的效率，計算精度也能得到很好的保證。
【專利說明】一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼結構承載分析領域，特別是一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測
量方法。
【背景技術】
[0002]一般的鋼結構文獻認為普通螺栓不宜作為抗剪連接，然而在輸電鐵塔中大量使用普通螺栓并作為抗剪連接件。對于這種節(jié)點構造形式，世界各國的設計規(guī)范中僅給出其強度設計公式，而沒有考慮連接滑移變形的影響。由于輸電鐵塔中的螺栓預緊力通常較小，且螺栓與螺栓孔之間存在構造間隙，因此在螺栓連接部位極易發(fā)生連接件與被連接件之間的相對滑動，大量的真型塔試驗表明輸電鐵塔中的螺栓連接滑移現(xiàn)象十分普遍。
[0003]在現(xiàn)行的設計計算中通常未考慮螺栓滑移，但由于螺栓設計選型(未采用高強螺栓)、制造工藝(螺孔過大)、現(xiàn)場安裝等問題造成鋼結構在應用中存在螺栓滑移現(xiàn)象，如何評定螺栓滑移對鋼結構安全性能的影響是一個技術難題。由于螺栓滑移，鋼結構螺栓連接點在空間的位移變化不確定，在鋼結構有限元計算中，由于沒有合適的單元類型，而且也很難通過邊界條件設置來模擬。
[0004]普通螺栓抗剪連接滑移主要由以下兩部分組成:1)間隙滑移:主要由螺栓與螺孔間的安裝間隙決定；2)變形滑移:主要包括螺孔壁以及螺桿的變形。由此可見，螺栓連接滑移將受螺栓數(shù)目、螺栓參數(shù)、連接件與被連接件參數(shù)、螺栓孔的形位參數(shù)、施工情況等眾多因素影響，對于此類節(jié)點，目前常采用節(jié)點連接試驗的方法，通過試驗來確定節(jié)點的載荷一變形過程。
[0005]圖1所示為節(jié)點連接試驗中得到的螺栓連接載荷——變形過程曲線圖，螺栓連接的變形過程大致可以分為四個階段:階段1:節(jié)點上作用的軸向載荷小于滑移載荷，這時在摩擦力作用下，連接件與被連接件之間的相對滑移量很小，連接剛度較大；階段I1:軸向載荷超過滑移載荷，連接件與被連接件之間做消除安裝間隙的相對滑動，連接剛度大幅度降低；對于斜材連接節(jié)點，由于螺栓數(shù)目通常較少，當載荷達到滑移載荷時，通常會出現(xiàn)連接變形突然增加的現(xiàn)象，而對于主材連接節(jié)點，由于螺栓數(shù)目通常較多，且螺孔之間存在形位誤差，因此通常不會出現(xiàn)連接變形突然增加的現(xiàn)象，但是在這一階段節(jié)點的連接剛度也會明顯降低。階段II1:螺栓與螺孔之間的間隙消失，螺桿與螺孔壁開始產(chǎn)生擠壓變形，節(jié)點的連接剛度較上一階段明顯增大；階段IV:螺栓連接部位開始破壞，并最終失效。
[0006]對鋼結構螺栓滑移的研究都集中在螺栓滑移試驗和螺栓預緊摩擦力計算模擬方面，而從整個鋼結構來說，如何在承載計算中模擬螺栓滑移沒有有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術不足，提供一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法，巧妙地測量螺栓滑移對鋼結構承載的影響。
[0008]為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法，該方法為:
1)測試鋼結構中螺栓的滑移載荷、間隙滑移量、屈服載荷以及與屈服載荷相對應的變
形量;
2)將上述滑移載荷、間隙滑移量、屈服載荷以及與屈服載荷相對應的變形量分別代入變形滑移的載荷變形函數(shù)和間隙滑移的載荷變形函數(shù)，計算螺栓滑移載荷變形曲線；同時計算鋼結構中與螺栓連接的桿件的極限荷載和截面面積，以所述極限荷載為最大載荷修正螺栓滑移載荷變形曲線；
3)將修正得到的螺栓滑移載荷變形曲線的載荷項除以與螺栓連接的桿件的截面積得到應力，將螺栓滑移載荷變形曲線的位移項除以與螺栓連接的桿件的長度得到應變，從而得到應力應變曲線，以所述應力應變曲線修正鋼結構材料本構模型，得到修正的鋼結構材料本構模型；
4)將修正的鋼結構材料本構模型作為有限元計算軟件的輸入，得到螺栓滑移時鋼結構的應力和位移，將螺栓滑移時鋼結構的應力和位移分別與未考慮螺栓滑移時鋼結構的應力和位移進行比較，若(fl-f2)/f2 < 5%，而(sl-s2)/s2 > 5%，則鋼結構變形為螺栓滑移所致，判斷鋼結構是否存在材質(zhì)屈服，從而判斷鋼結構變形的發(fā)展趨勢。
[0009]所述步驟3)中，修正鋼結構材料本構模型的過程為:將不計螺栓滑移時鋼結構材料應力應變曲線的彈性變形階段的定斜率直線記為Y，考慮螺栓滑移的影響后，鋼結構材料應力應變曲線的彈性變形階段出現(xiàn)了一條斜率為K的直線M，將所述直線M連接到定斜率直線Y上，直線M起始點為由定斜率直線Y所計算的軸向載荷等于滑移載荷點，直線M終止點為由定斜率直線Y所計算的位移等于間隙滑移量點，即得修正后的鋼結構材料本構模型；其中K趨近于O。
[0010]步驟2)中，變形滑移的載荷變形函數(shù)采用Ram berg和Osgood提出的載荷變形函數(shù)(見 Ramberg ff., Osgood ff.R.Description of stress-strain curves by threeparameters [R].Washington, 1943),間隙滑移的載荷變形函數(shù)采用 Kitipornchai 和Albermani 提出的載荷變形函數(shù)(見 Kitipornchai S., Albermani F.G.A., Peyrot A.H.Effect of bolt slippage on ultimate behavior of lattice structures[J].ASCEJournal of Structral Engineering, 1994, 120(8):2281-2287.)。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明通過測試螺栓滑移參數(shù)，在螺栓變形滑移中采用Ram berg和Osgood提出的載荷變形函數(shù)，在間隙滑移中采用Kitipornchai和Albermani提出的載荷變形函數(shù),計算得到螺栓滑移載荷變形曲線，同時計算鋼結構中螺栓連接桿件的極限荷載和截面面積，以極限荷載為最大載荷修正螺栓滑移荷載變形曲線，將載荷項除以桿件截面積得到應力，以應力應變曲線修正材料本構模型，本發(fā)明通過改變材料本構模型來模擬鋼結構螺栓滑移，以材料非線性計算解決了螺栓滑移造成的局部幾何非線性問題，簡化了鋼結構螺栓滑移計算過程，增強了計算收斂性，提高了計算的效率，保證了計算精度；將本發(fā)明方法確定的螺栓滑移時鋼結構的應力和位移分別與未考慮螺栓滑移時鋼結構的應力和位移進行比較，如果前者的壓力、位移與后者的壓力、位移不相等，則判斷鋼結構存在材質(zhì)屈服，即獲知了鋼結構的局部變形，從而可以判斷鋼結構變形的發(fā)展趨勢，使得技術人員能根據(jù)該發(fā)展趨勢提出相應的加強措施，為鋼結構的安全性能評價提供了關鍵的技術支持?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為節(jié)點連接試驗中得到的螺栓連接載荷——變形過程曲線圖；
圖2為本發(fā)明方法流程圖；
圖3為本發(fā)明一實施例鋼結構單元模型圖；
圖4為本發(fā)明一實施例考慮螺栓滑移的材料應力應變曲線圖；
圖5為本發(fā)明一實施例考慮螺栓滑移的鋼結構載荷位移曲線圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖2所示，本發(fā)明方法包括以下步驟:
第一步，測試螺栓滑移參數(shù)；
根據(jù)螺栓的連接型式，測試螺栓的滑移載荷、間隙滑移量、屈服載荷以及與屈服載荷相對應的變形量。
[0014]第二步，計算螺栓滑移載荷變形曲線；
將上述參數(shù)分別代入變形滑移的載荷變形函數(shù)和間隙滑移的載荷變形函數(shù)，計算載荷變形曲線。
[0015]第三步，修正鋼結構材料本構模型；
根據(jù)計算得到的螺栓滑移載荷變形曲線，結合螺栓連接鋼結構材料特性，修正材料本構模型。
[0016]第四步，材料非線性計算設置；
在有限元計算軟件中，打開非線性計算設置，打開自動時間步，并設置計算子步數(shù)和平衡迭代數(shù)。
[0017]第五步，螺栓滑移的計算分析。
[0018]從應力和位移等方面分析螺栓滑移對鋼結構承載的影響。
[0019]以某換流站濾波器懸吊承載鋼結構螺栓滑移計算為例，鋼結構模型如圖3所示，兩橫梁中間承載。
[0020]1、第一步，測試螺栓滑移參數(shù)。當螺栓數(shù)目為2時，測試螺栓的滑移載荷為20.14kN,間隙滑移量為1.3mm,屈服載荷為91.51kN,與屈服載荷相對應的變形量為
1.73mm。當螺栓數(shù)目為5時，測試螺栓的滑移載荷為108.25kN,間隙滑移量為1.3mm，屈服載荷為514kN，與屈服載荷相對應的變形量為2.26_。
[0021]2、計算螺栓滑移載荷變形曲線。將上述參數(shù)分別代入變形滑移的載荷變形函數(shù)和間隙滑移的載荷變形函數(shù)，計算載荷變形曲線；同時計算鋼結構中螺栓連接的桿件的極限荷載和截面面積，以極限荷載為最大載荷修正螺栓滑移荷載變形曲線。
[0022]3、修正鋼結構材料本構模型。根據(jù)修正得到的螺栓滑移載荷變形曲線，將載荷項除以桿件截面積得到應力，以應力應變曲線修正材料本構模型，如圖4所示。
[0023]4，材料非線性計算設置。在有限元計算軟件ANSYS中，打開非線性計算設置，打開自動時間步，并設置計算子步數(shù)和平衡迭代數(shù)，最大和最小子步數(shù)分別為1E6和50，平衡迭代數(shù)為50。
[0024]5，螺栓滑移的計算分析。從應力和位移等方面分析螺栓滑移對鋼結構承載的影響，橫梁中心點位移隨載荷變化如圖5所示，中間水平線為螺栓滑移產(chǎn)生的位移。
【權利要求】
1.一種螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法，其特征在于，該方法為: 1)測試鋼結構中螺栓的滑移載荷、間隙滑移量、屈服載荷以及與屈服載荷相對應的變形量; 2)將上述滑移載荷、間隙滑移量、屈服載荷以及與屈服載荷相對應的變形量分別代入變形滑移的載荷變形函數(shù)和間隙滑移的載荷變形函數(shù)，計算螺栓滑移載荷變形曲線；同時計算鋼結構中與螺栓連接的桿件的極限荷載和截面面積，以所述極限荷載為最大載荷修正螺栓滑移載荷變形曲線； 3)將修正得到的螺栓滑移載荷變形曲線的載荷項除以與螺栓連接的桿件的截面積得到應力，將螺栓滑移載荷變形曲線的位移項除以與螺栓連接的桿件的長度得到應變，從而得到應力應變曲線，以所述應力應變曲線修正鋼結構材料本構模型，得到修正的鋼結構材料本構模型； 4)將修正的鋼結構材料本構模型作為有限元計算軟件的輸入，得到螺栓滑移時鋼結構的應力和位移，將螺栓滑移時鋼結構的應力n和位移Si分別與未考慮螺栓滑移時鋼結構的應力f2和位移s2進行比較，若(fl_f2)/f2 < 5%，而(sl-s2)/s2 > 5%，則鋼結構變形為螺栓滑移所致，判斷鋼結構是否存在材質(zhì)屈服，從而判斷鋼結構變形的發(fā)展趨勢。
2.根據(jù)權利要求1所述的螺栓滑移對鋼結構承載影響的測量方法，其特征在于，所述步驟3)中，修正鋼結構材料本構模型的過程為:將不計螺栓滑移時鋼結構材料應力應變曲線的彈性變形階段的定斜率直線記為Y，考慮螺栓滑移的影響后，鋼結構材料應力應變曲線的彈性變形階段出現(xiàn)了一條斜率為K的直線M,將所述直線M連接到定斜率直線Y上，直線M起始點為由定斜率直線Y所計算的軸向載荷等于滑移載荷點，直線M終止點為由定斜率直線Y所計算的位移等于間隙滑移量點，即得修正后的鋼結構材料本構模型；其中K趨近于O0
【文檔編號】G06F19/00GK103488903SQ201310447334
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權日:2013年9月27日
【發(fā)明者】劉純, 唐遠富, 歐陽克儉, 陳紅冬 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院, 湖南省湘電試研技術有限公司