带部分螺纹的螺杆插入螺栓孔的连接的力学性能分析

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目前,国内外研究人员通过改变板件截面形式、螺栓材料、螺栓强度等方式对螺栓连接构件的承载性能进行试验研究和有限元分析。但是,针对静剪力作用下螺栓连接进行研究,均未考虑螺纹伸入螺栓孔的情况,现有的《钢结构设计标准》[GB50017-2017]对此并没有明确规定,而德国规范则对螺纹在剪切面时的螺栓抗剪承载力设计值有明确的规定。因此,为了深入研究螺纹伸入螺栓孔中的深度对连接承载性能的影响以及验证钢结构设计规范的计算方式是否符合实际情况,本文主要的研究内容有:(1)对15个试件进行拉伸试验,从而获得其荷载与位移的曲线、屈服荷载、极限承载力以及破坏情况,结果表明:当螺纹深入螺栓孔的深度小于板厚时,螺栓抗剪承载力变化较小;当螺纹深入螺栓孔的深度等于板厚(即螺纹处于剪切面)时,螺栓抗剪承载力变化较大。(2)对3个钢板材性试件进行常温拉伸试验,得到了Q345钢板的弹性模量E、屈服强度fy、抗拉强度fu等参数,为有限元模拟设置本构模型提供参考,然后采用ABAQUS有限元软件,根据试验试件尺寸建立模型。模拟计算得出的荷载与位移的曲线、屈服荷载、极限承载力以及破坏情况与试验情况均相符,并对螺栓与板件的应力变化过程进行分析。(3)基于试验结果与有限元分析结果吻合较好,根据上述数值模型的建立方法,对不同的参数展开大量的数值模拟。其中包括对螺栓连接中的螺纹伸入螺孔中的深度ds、螺距p、螺栓直径d、螺栓数量n以及螺栓种类等58个模型展开研究。(4)通过对比中、德两国钢结构设计规范可以发现,两国规范对螺纹伸入螺栓孔中的深度ds的范围在(0.0t,1.0t)的螺栓连接试件的抗剪承载力均未作相关明确说明。通过有限元软件ABAQUS建立63个数值模型,对我国工程中常用的带部分(粗牙)螺纹的螺杆伸入螺栓孔中的螺栓连接承载性能进行有限元分析,基于此提出关于这方面的建议计算公式。
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