一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法，在钢结构承载的有限元计算中，通过测试螺栓滑移参数，根据已有的螺栓滑移模型，计算螺栓滑移载荷变形曲线，修正钢结构材质本构模型，在其应力应变曲线的弹性变形阶段增加应力应变松弛段，将钢结构螺栓滑移造成的局部几何非线性等效为材料非线性，便捷地计算螺栓滑移对钢结构的承载影响。本发明的方法简化了钢结构螺栓滑移计算过程、增强了计算收敛性，提高了计算的效率，计算精度也能得到很好的保证。
【专利说明】一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢结构承载分析领域，特别是一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测
量方法。
【背景技术】
[0002]一般的钢结构文献认为普通螺栓不宜作为抗剪连接，然而在输电铁塔中大量使用普通螺栓并作为抗剪连接件。对于这种节点构造形式，世界各国的设计规范中仅给出其强度设计公式，而没有考虑连接滑移变形的影响。由于输电铁塔中的螺栓预紧力通常较小，且螺栓与螺栓孔之间存在构造间隙，因此在螺栓连接部位极易发生连接件与被连接件之间的相对滑动，大量的真型塔试验表明输电铁塔中的螺栓连接滑移现象十分普遍。
[0003]在现行的设计计算中通常未考虑螺栓滑移，但由于螺栓设计选型(未采用高强螺栓)、制造工艺(螺孔过大)、现场安装等问题造成钢结构在应用中存在螺栓滑移现象，如何评定螺栓滑移对钢结构安全性能的影响是一个技术难题。由于螺栓滑移，钢结构螺栓连接点在空间的位移变化不确定，在钢结构有限元计算中，由于没有合适的单元类型，而且也很难通过边界条件设置来模拟。
[0004]普通螺栓抗剪连接滑移主要由以下两部分组成:1)间隙滑移:主要由螺栓与螺孔间的安装间隙决定；2)变形滑移:主要包括螺孔壁以及螺杆的变形。由此可见，螺栓连接滑移将受螺栓数目、螺栓参数、连接件与被连接件参数、螺栓孔的形位参数、施工情况等众多因素影响，对于此类节点，目前常采用节点连接试验的方法，通过试验来确定节点的载荷一变形过程。
[0005]图1所示为节点连接试验中得到的螺栓连接载荷——变形过程曲线图，螺栓连接的变形过程大致可以分为四个阶段:阶段1:节点上作用的轴向载荷小于滑移载荷，这时在摩擦力作用下，连接件与被连接件之间的相对滑移量很小，连接刚度较大；阶段I1:轴向载荷超过滑移载荷，连接件与被连接件之间做消除安装间隙的相对滑动，连接刚度大幅度降低；对于斜材连接节点，由于螺栓数目通常较少，当载荷达到滑移载荷时，通常会出现连接变形突然增加的现象，而对于主材连接节点，由于螺栓数目通常较多，且螺孔之间存在形位误差，因此通常不会出现连接变形突然增加的现象，但是在这一阶段节点的连接刚度也会明显降低。阶段II1:螺栓与螺孔之间的间隙消失，螺杆与螺孔壁开始产生挤压变形，节点的连接刚度较上一阶段明显增大；阶段IV:螺栓连接部位开始破坏，并最终失效。
[0006]对钢结构螺栓滑移的研究都集中在螺栓滑移试验和螺栓预紧摩擦力计算模拟方面，而从整个钢结构来说，如何在承载计算中模拟螺栓滑移没有有效的方法。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法，巧妙地测量螺栓滑移对钢结构承载的影响。
[0008]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法，该方法为:
1)测试钢结构中螺栓的滑移载荷、间隙滑移量、屈服载荷以及与屈服载荷相对应的变
形量;
2)将上述滑移载荷、间隙滑移量、屈服载荷以及与屈服载荷相对应的变形量分别代入变形滑移的载荷变形函数和间隙滑移的载荷变形函数，计算螺栓滑移载荷变形曲线；同时计算钢结构中与螺栓连接的杆件的极限荷载和截面面积，以所述极限荷载为最大载荷修正螺栓滑移载荷变形曲线；
3)将修正得到的螺栓滑移载荷变形曲线的载荷项除以与螺栓连接的杆件的截面积得到应力，将螺栓滑移载荷变形曲线的位移项除以与螺栓连接的杆件的长度得到应变，从而得到应力应变曲线，以所述应力应变曲线修正钢结构材料本构模型，得到修正的钢结构材料本构模型；
4)将修正的钢结构材料本构模型作为有限元计算软件的输入，得到螺栓滑移时钢结构的应力和位移，将螺栓滑移时钢结构的应力和位移分别与未考虑螺栓滑移时钢结构的应力和位移进行比较，若(fl-f2)/f2 < 5%，而(sl-s2)/s2 > 5%，则钢结构变形为螺栓滑移所致，判断钢结构是否存在材质屈服，从而判断钢结构变形的发展趋势。
[0009]所述步骤3)中，修正钢结构材料本构模型的过程为:将不计螺栓滑移时钢结构材料应力应变曲线的弹性变形阶段的定斜率直线记为Y，考虑螺栓滑移的影响后，钢结构材料应力应变曲线的弹性变形阶段出现了一条斜率为K的直线M，将所述直线M连接到定斜率直线Y上，直线M起始点为由定斜率直线Y所计算的轴向载荷等于滑移载荷点，直线M终止点为由定斜率直线Y所计算的位移等于间隙滑移量点，即得修正后的钢结构材料本构模型；其中K趋近于O。
[0010]步骤2)中，变形滑移的载荷变形函数采用Ram berg和Osgood提出的载荷变形函数(见 Ramberg ff., Osgood ff.R.Description of stress-strain curves by threeparameters [R].Washington, 1943),间隙滑移的载荷变形函数采用 Kitipornchai 和Albermani 提出的载荷变形函数(见 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]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明通过测试螺栓滑移参数，在螺栓变形滑移中采用Ram berg和Osgood提出的载荷变形函数，在间隙滑移中采用Kitipornchai和Albermani提出的载荷变形函数,计算得到螺栓滑移载荷变形曲线，同时计算钢结构中螺栓连接杆件的极限荷载和截面面积，以极限荷载为最大载荷修正螺栓滑移荷载变形曲线，将载荷项除以杆件截面积得到应力，以应力应变曲线修正材料本构模型，本发明通过改变材料本构模型来模拟钢结构螺栓滑移，以材料非线性计算解决了螺栓滑移造成的局部几何非线性问题，简化了钢结构螺栓滑移计算过程，增强了计算收敛性，提高了计算的效率，保证了计算精度；将本发明方法确定的螺栓滑移时钢结构的应力和位移分别与未考虑螺栓滑移时钢结构的应力和位移进行比较，如果前者的压力、位移与后者的压力、位移不相等，则判断钢结构存在材质屈服，即获知了钢结构的局部变形，从而可以判断钢结构变形的发展趋势，使得技术人员能根据该发展趋势提出相应的加强措施，为钢结构的安全性能评价提供了关键的技术支持。【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为节点连接试验中得到的螺栓连接载荷——变形过程曲线图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明一实施例钢结构单元模型图；
图4为本发明一实施例考虑螺栓滑移的材料应力应变曲线图；
图5为本发明一实施例考虑螺栓滑移的钢结构载荷位移曲线图。
【具体实施方式】
[0013]如图2所示，本发明方法包括以下步骤:
第一步，测试螺栓滑移参数；
根据螺栓的连接型式，测试螺栓的滑移载荷、间隙滑移量、屈服载荷以及与屈服载荷相对应的变形量。
[0014]第二步，计算螺栓滑移载荷变形曲线；
将上述参数分别代入变形滑移的载荷变形函数和间隙滑移的载荷变形函数，计算载荷变形曲线。
[0015]第三步，修正钢结构材料本构模型；
根据计算得到的螺栓滑移载荷变形曲线，结合螺栓连接钢结构材料特性，修正材料本构模型。
[0016]第四步，材料非线性计算设置；
在有限元计算软件中，打开非线性计算设置，打开自动时间步，并设置计算子步数和平衡迭代数。
[0017]第五步，螺栓滑移的计算分析。
[0018]从应力和位移等方面分析螺栓滑移对钢结构承载的影响。
[0019]以某换流站滤波器悬吊承载钢结构螺栓滑移计算为例，钢结构模型如图3所示，两横梁中间承载。
[0020]1、第一步，测试螺栓滑移参数。当螺栓数目为2时，测试螺栓的滑移载荷为20.14kN,间隙滑移量为1.3mm,屈服载荷为91.51kN,与屈服载荷相对应的变形量为
1.73mm。当螺栓数目为5时，测试螺栓的滑移载荷为108.25kN,间隙滑移量为1.3mm，屈服载荷为514kN，与屈服载荷相对应的变形量为2.26_。
[0021]2、计算螺栓滑移载荷变形曲线。将上述参数分别代入变形滑移的载荷变形函数和间隙滑移的载荷变形函数，计算载荷变形曲线；同时计算钢结构中螺栓连接的杆件的极限荷载和截面面积，以极限荷载为最大载荷修正螺栓滑移荷载变形曲线。
[0022]3、修正钢结构材料本构模型。根据修正得到的螺栓滑移载荷变形曲线，将载荷项除以杆件截面积得到应力，以应力应变曲线修正材料本构模型，如图4所示。
[0023]4，材料非线性计算设置。在有限元计算软件ANSYS中，打开非线性计算设置，打开自动时间步，并设置计算子步数和平衡迭代数，最大和最小子步数分别为1E6和50，平衡迭代数为50。
[0024]5，螺栓滑移的计算分析。从应力和位移等方面分析螺栓滑移对钢结构承载的影响，横梁中心点位移随载荷变化如图5所示，中间水平线为螺栓滑移产生的位移。
【权利要求】
1.一种螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法，其特征在于，该方法为: 1)测试钢结构中螺栓的滑移载荷、间隙滑移量、屈服载荷以及与屈服载荷相对应的变形量; 2)将上述滑移载荷、间隙滑移量、屈服载荷以及与屈服载荷相对应的变形量分别代入变形滑移的载荷变形函数和间隙滑移的载荷变形函数，计算螺栓滑移载荷变形曲线；同时计算钢结构中与螺栓连接的杆件的极限荷载和截面面积，以所述极限荷载为最大载荷修正螺栓滑移载荷变形曲线； 3)将修正得到的螺栓滑移载荷变形曲线的载荷项除以与螺栓连接的杆件的截面积得到应力，将螺栓滑移载荷变形曲线的位移项除以与螺栓连接的杆件的长度得到应变，从而得到应力应变曲线，以所述应力应变曲线修正钢结构材料本构模型，得到修正的钢结构材料本构模型； 4)将修正的钢结构材料本构模型作为有限元计算软件的输入，得到螺栓滑移时钢结构的应力和位移，将螺栓滑移时钢结构的应力n和位移Si分别与未考虑螺栓滑移时钢结构的应力f2和位移s2进行比较，若(fl_f2)/f2 < 5%，而(sl-s2)/s2 > 5%，则钢结构变形为螺栓滑移所致，判断钢结构是否存在材质屈服，从而判断钢结构变形的发展趋势。
2.根据权利要求1所述的螺栓滑移对钢结构承载影响的测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，修正钢结构材料本构模型的过程为:将不计螺栓滑移时钢结构材料应力应变曲线的弹性变形阶段的定斜率直线记为Y，考虑螺栓滑移的影响后，钢结构材料应力应变曲线的弹性变形阶段出现了一条斜率为K的直线M,将所述直线M连接到定斜率直线Y上，直线M起始点为由定斜率直线Y所计算的轴向载荷等于滑移载荷点，直线M终止点为由定斜率直线Y所计算的位移等于间隙滑移量点，即得修正后的钢结构材料本构模型；其中K趋近于O0
【文档编号】G06F19/00GK103488903SQ201310447334
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】刘纯, 唐远富, 欧阳克俭, 陈红冬 申请人:国家电网公司, 国网湖南省电力公司电力科学研究院, 湖南省湘电试研技术有限公司