一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法，在鋼結(jié)構(gòu)承載的有限元計(jì)算中，通過(guò)測(cè)試螺栓滑移參數(shù)，根據(jù)已有的螺栓滑移模型，計(jì)算螺栓滑移載荷變形曲線，修正鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)本構(gòu)模型，在其應(yīng)力應(yīng)變曲線的彈性變形階段增加應(yīng)力應(yīng)變松弛段，將鋼結(jié)構(gòu)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(jì)算螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的承載影響。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)化了鋼結(jié)構(gòu)螺栓滑移計(jì)算過(guò)程、增強(qiáng)了計(jì)算收斂性，提高了計(jì)算的效率，計(jì)算精度也能得到很好的保證。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼結(jié)構(gòu)承載分析領(lǐng)域，特別是一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)
量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一般的鋼結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)認(rèn)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(duì)于這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，世界各國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中僅給出其強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式，而沒(méi)有考慮連接滑移變形的影響。由于輸電鐵塔中的螺栓預(yù)緊力通常較小，且螺栓與螺栓孔之間存在構(gòu)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(duì)滑動(dòng)，大量的真型塔試驗(yàn)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(shè)計(jì)計(jì)算中通常未考慮螺栓滑移，但由于螺栓設(shè)計(jì)選型(未采用高強(qiáng)螺栓)、制造工藝(螺孔過(guò)大)、現(xiàn)場(chǎng)安裝等問(wèn)題造成鋼結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中存在螺栓滑移現(xiàn)象，如何評(píng)定螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全性能的影響是一個(gè)技術(shù)難題。由于螺栓滑移，鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接點(diǎn)在空間的位移變化不確定，在鋼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算中，由于沒(méi)有合適的單元類(lèi)型，而且也很難通過(guò)邊界條件設(shè)置來(lái)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(jiàn)，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(duì)于此類(lèi)節(jié)點(diǎn)，目前常采用節(jié)點(diǎn)連接試驗(yàn)的方法，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的載荷一變形過(guò)程。
[0005]圖1所示為節(jié)點(diǎn)連接試驗(yàn)中得到的螺栓連接載荷——變形過(guò)程曲線圖，螺栓連接的變形過(guò)程大致可以分為四個(gè)階段:階段1:節(jié)點(diǎn)上作用的軸向載荷小于滑移載荷，這時(shí)在摩擦力作用下，連接件與被連接件之間的相對(duì)滑移量很小，連接剛度較大；階段I1:軸向載荷超過(guò)滑移載荷，連接件與被連接件之間做消除安裝間隙的相對(duì)滑動(dòng)，連接剛度大幅度降低；對(duì)于斜材連接節(jié)點(diǎn)，由于螺栓數(shù)目通常較少，當(dāng)載荷達(dá)到滑移載荷時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)連接變形突然增加的現(xiàn)象，而對(duì)于主材連接節(jié)點(diǎn)，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(huì)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(diǎn)的連接剛度也會(huì)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(kāi)始產(chǎn)生擠壓變形，節(jié)點(diǎn)的連接剛度較上一階段明顯增大；階段IV:螺栓連接部位開(kāi)始破壞，并最終失效。
[0006]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)螺栓滑移的研究都集中在螺栓滑移試驗(yàn)和螺栓預(yù)緊摩擦力計(jì)算模擬方面，而從整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如何在承載計(jì)算中模擬螺栓滑移沒(méi)有有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法，巧妙地測(cè)量螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載的影響。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法，該方法為:
1)測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jì)算螺栓滑移載荷變形曲線；同時(shí)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)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(xiàng)除以與螺栓連接的桿件的截面積得到應(yīng)力，將螺栓滑移載荷變形曲線的位移項(xiàng)除以與螺栓連接的桿件的長(zhǎng)度得到應(yīng)變，從而得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，以所述應(yīng)力應(yīng)變曲線修正鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型，得到修正的鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型；
4)將修正的鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型作為有限元計(jì)算軟件的輸入，得到螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移，將螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分別與未考慮螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進(jìn)行比較，若(fl-f2)/f2 < 5%，而(sl-s2)/s2 > 5%，則鋼結(jié)構(gòu)變形為螺栓滑移所致，判斷鋼結(jié)構(gòu)是否存在材質(zhì)屈服，從而判斷鋼結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展趨勢(shì)。
[0009]所述步驟3)中，修正鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型的過(guò)程為:將不計(jì)螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力應(yīng)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(jié)構(gòu)材料應(yīng)力應(yīng)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(diǎn)為由定斜率直線Y所計(jì)算的軸向載荷等于滑移載荷點(diǎn)，直線M終止點(diǎn)為由定斜率直線Y所計(jì)算的位移等于間隙滑移量點(diǎn)，即得修正后的鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)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(jiàn) 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(jiàn) 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(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明通過(guò)測(cè)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(jì)算得到螺栓滑移載荷變形曲線，同時(shí)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)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(xiàng)除以桿件截面積得到應(yīng)力，以應(yīng)力應(yīng)變曲線修正材料本構(gòu)模型，本發(fā)明通過(guò)改變材料本構(gòu)模型來(lái)模擬鋼結(jié)構(gòu)螺栓滑移，以材料非線性計(jì)算解決了螺栓滑移造成的局部幾何非線性問(wèn)題，簡(jiǎn)化了鋼結(jié)構(gòu)螺栓滑移計(jì)算過(guò)程，增強(qiáng)了計(jì)算收斂性，提高了計(jì)算的效率，保證了計(jì)算精度；將本發(fā)明方法確定的螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分別與未考慮螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移進(jìn)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(jié)構(gòu)存在材質(zhì)屈服，即獲知了鋼結(jié)構(gòu)的局部變形，從而可以判斷鋼結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展趨勢(shì)，使得技術(shù)人員能根據(jù)該發(fā)展趨勢(shì)提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施，為鋼結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)價(jià)提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為節(jié)點(diǎn)連接試驗(yàn)中得到的螺栓連接載荷——變形過(guò)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(shí)施例鋼結(jié)構(gòu)單元模型圖；
圖4為本發(fā)明一實(shí)施例考慮螺栓滑移的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；
圖5為本發(fā)明一實(shí)施例考慮螺栓滑移的鋼結(jié)構(gòu)載荷位移曲線圖。
【具體實(shí)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(cè)試螺栓滑移參數(shù)；
根據(jù)螺栓的連接型式，測(cè)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(duì)應(yīng)的變形量。
[0014]第二步，計(jì)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(jì)算載荷變形曲線。
[0015]第三步，修正鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型；
根據(jù)計(jì)算得到的螺栓滑移載荷變形曲線，結(jié)合螺栓連接鋼結(jié)構(gòu)材料特性，修正材料本構(gòu)模型。
[0016]第四步，材料非線性計(jì)算設(shè)置；
在有限元計(jì)算軟件中，打開(kāi)非線性計(jì)算設(shè)置，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步，并設(shè)置計(jì)算子步數(shù)和平衡迭代數(shù)。
[0017]第五步，螺栓滑移的計(jì)算分析。
[0018]從應(yīng)力和位移等方面分析螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載的影響。
[0019]以某換流站濾波器懸吊承載鋼結(jié)構(gòu)螺栓滑移計(jì)算為例，鋼結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，兩橫梁中間承載。
[0020]1、第一步，測(cè)試螺栓滑移參數(shù)。當(dāng)螺栓數(shù)目為2時(shí)，測(cè)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(duì)應(yīng)的變形量為
1.73mm。當(dāng)螺栓數(shù)目為5時(shí)，測(cè)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(duì)應(yīng)的變形量為2.26_。
[0021]2、計(jì)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(jì)算載荷變形曲線；同時(shí)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型。根據(jù)修正得到的螺栓滑移載荷變形曲線，將載荷項(xiàng)除以桿件截面積得到應(yīng)力，以應(yīng)力應(yīng)變曲線修正材料本構(gòu)模型，如圖4所示。
[0023]4，材料非線性計(jì)算設(shè)置。在有限元計(jì)算軟件ANSYS中，打開(kāi)非線性計(jì)算設(shè)置，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步，并設(shè)置計(jì)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(jì)算分析。從應(yīng)力和位移等方面分析螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載的影響，橫梁中心點(diǎn)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(quán)利要求】
1.一種螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法，其特征在于，該方法為: 1)測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jì)算螺栓滑移載荷變形曲線；同時(shí)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)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(xiàng)除以與螺栓連接的桿件的截面積得到應(yīng)力，將螺栓滑移載荷變形曲線的位移項(xiàng)除以與螺栓連接的桿件的長(zhǎng)度得到應(yīng)變，從而得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，以所述應(yīng)力應(yīng)變曲線修正鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型，得到修正的鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型； 4)將修正的鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型作為有限元計(jì)算軟件的輸入，得到螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移，將螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力n和位移Si分別與未考慮螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力f2和位移s2進(jìn)行比較，若(fl_f2)/f2 < 5%，而(sl-s2)/s2 > 5%，則鋼結(jié)構(gòu)變形為螺栓滑移所致，判斷鋼結(jié)構(gòu)是否存在材質(zhì)屈服，從而判斷鋼結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展趨勢(shì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺栓滑移對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載影響的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟3)中，修正鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型的過(guò)程為:將不計(jì)螺栓滑移時(shí)鋼結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力應(yīng)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(jié)構(gòu)材料應(yīng)力應(yīng)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(diǎn)為由定斜率直線Y所計(jì)算的軸向載荷等于滑移載荷點(diǎn)，直線M終止點(diǎn)為由定斜率直線Y所計(jì)算的位移等于間隙滑移量點(diǎn)，即得修正后的鋼結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型；其中K趨近于O0
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103488903SQ201310447334
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】劉純, 唐遠(yuǎn)富, 歐陽(yáng)克儉, 陳紅冬 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院, 湖南省湘電試研技術(shù)有限公司