王 朋

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

螺栓连接对基础非均匀沉降格构式结构的影响*

王 朋

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

为了现场安装方便，格构式结构设计中的螺孔直径大于螺杆直径，在相同载荷作用下，传统的结构分析计算得到的结构变形量小于试验测量值，另一方面，在相同沉降下，计算得到的杆件轴力大于试验测量值，甚至出现计算结果显示已经破坏的结构，现实中仍在正常运行着。产生这些偏差的主要原因是螺栓滑移。基于ANSYS开发的滑移梁模型将实验测量得到的螺栓连接位移-载荷关系曲线引入到螺栓连接的分析模型中。利用该模型模拟了基础非均匀沉降格构式结构的受力变形特性，并与传统分析结果及试验测量结果进行对比。结果显示：考虑螺栓滑移影响的模型，模拟结果与实验测量结果非常吻合。为今后格构式结构的设计和研究提供有益参考。

螺栓滑移；格构式结构；非均匀沉降；结构分析

引 言

精确预测格构式结构的受力变形特性，对格构式结构的设计及安全评估起着非常重要的作用。等边角钢由于具有便于连接的优点被广泛应用于格构式结构中。大量的等边角钢通过单面螺栓连接，因此载荷传递时等边角钢承受偏心载荷。同时在格构式结构设计中，为了现场安装方便螺孔一般比螺栓直径大，螺栓连接数量多、螺栓直径小、连接杆件薄(角钢或扁钢)、夹持力低、镀锌金属表面摩擦系数低等因素使螺栓连接在较低载荷作用下发生滑移现象。

现有的结构分析[1-2]忽略了连接偏心和螺栓滑移对格构式结构的影响，使得模拟结构和试验结果存在较大偏差。实际上，格构式结构中的螺栓连接节点既不是“铰接”也不是“刚接”，而是介于“铰接”和“刚接”之间的一种半刚性连接。显然，如果将螺栓连接

节点简单的视为“铰接”或“刚接”，要么是结构设计的不安全，要么就是结构设计的不够经济。

螺栓滑移问题已经引起人们的广泛关注，并取得了一定的成效。文献[3]通过全尺寸输电塔试验与模拟,研究了螺栓安装不对称以及不同滑移模型对输电塔受力变形特性的影响。本文在前期研究[4-7]的基础上,引用基于ANSYS开发的滑移梁模型，考虑了连接偏心的影响将试验测量得到的螺栓连接的位移-载荷关系曲线引入到螺栓连接的分析模型中，利用该模型分析了基础非均匀沉降格构式结构的受力变形特性，为今后格构式结构的设计和研究提供有益参考。

1 试验测量

1.1 格构式结构设计

为了测量螺栓连接对格构式结构承受非均匀沉降载荷时的受力变形特性，设计了一个由等边角钢通过单面螺栓连接搭建成的3 层格构式结构，如图1所示。详细尺寸如图2所示。

图1 结构实景图

图2 分析对象尺寸图

1.2 试验结果与分析

受试验环境限制，塔腿不能直接固定在地面，所以设计了一个大刚度底座，3 根塔腿固定在底座上，第4 根塔腿相对底座无水平面内位移，但可以相对于底座沿垂直方向向上移动。

试验中通过应变式称重传感器得到垂直方向施加载荷的大小，通过位移传感器测量得到第4 根塔腿垂直方向位移。载荷一步步施加，直到格构式结构的斜撑杆发生屈曲失效。试验结束后，可清晰地看到螺栓连接节点发生了滑移，如图3所示。

图3 螺栓滑移

试验测量第4 根塔腿垂直方向位移与施加载荷的关系曲线如图4所示。从图中可以看出，曲线初始阶段位移随载荷线性增长，当载荷达到6 kN时，垂直方向位移增加量与载荷增加量不再成线性关系，当载荷达到8 kN时，垂直方向位移急剧增加，而载荷增加缓慢，产生这种现象的主要原因是格构式结构中的部分螺栓连接发生滑移。当位移增大到10 mm时，位移-载荷曲线又变为近似线性。

图4 试验测量位移-载荷曲线

将应变片贴在角钢螺栓连接线上，记录试验时角钢应变的变化。斜撑杆和横隔杆通过单个螺栓与塔腿连接，且角钢都是通过单面螺栓连接，因此角钢承受偏心载荷，如图5所示。角钢承受偏心载荷时，应力σ为：

(1)

式中：y0和z0为角钢截面的形心主惯性轴，(yOF,zOF)为施加载荷点在角钢截面的形心主惯性轴上的坐标；iy0和iz0分别为截面对于形心主惯性轴y0轴和z0轴的惯性半径；F为施加载荷的大小；A为角钢截面的面积。

考虑角钢偏心载荷的影响，塔腿施加载荷和杆件轴力的关系曲线如图6所示。从图中可以看出随着塔腿施加载荷的增加，斜撑杆轴力不断增加。当载荷加载到6 kN时，随着塔腿载荷的增加，杆件轴力增加变小。产生这种现象的主要原因是随着施加载荷的增加，室内小塔杆件螺栓发生滑移，发生滑移的斜撑杆件几乎不再承受增加的载荷。

图5 螺栓连接

图6 试验测量杆件轴力

2 有限元模拟

格构式结构的破坏形式主要是一系列斜撑杆的屈曲，而斜撑杆的承载能力主要取决于连接节点的刚度，因此，精确模拟格构式结构中的螺栓连接对准确模拟格构式结构的受力变形特性至关重要。

室内小塔3 个塔腿固定在大刚度底座上，第4 个塔腿A点与大刚度底座在水平面内无相对位移，以模拟格构式结构的非均匀沉降，有限元模型的边界条件如图7所示，本文分别建立了刚性连接模型和滑移模型模拟了格构式结构的受力变形特性。

图7 提取轴力的杆件单元和施加载荷点(A)

2.1 刚性连接模型

传统的结构分析方法，将螺栓连接当作刚性连接处理，不考虑螺栓滑移对格构式结构静态响应的影响，考虑偏心载荷影响的角钢轴向刚度KB为：

(2)

式中：E为角钢弹性模量；A为角钢横截面积；L为角钢长度。

将刚性连接模型模拟得到的非均匀沉降格构式结构的位移-载荷关系曲线，与试验测量结果进行对比，如图8所示。提取3根斜撑杆(如图7所示)的杆件轴力，与试验测量结果进行对比，如图9所示。

图8 位移-载荷曲线比较

图9 杆件轴力对比

2.2 滑移模型

采用滑移梁模型[7]模拟螺栓连接，假定滑移只发生在梁单元轴向方向，其余方向无相对滑移。将前期试验测量得到的螺栓滑移的位移-载荷关系曲线[6]分解到坐标系各轴上，从而将螺栓连接接头特性引入到有限元模拟中。

滑移模型模拟得到的非均匀沉降格构式结构的位移-载荷关系曲线，与试验测量结果进行对比，如图8所示。提取3根斜撑杆(如图7所示)的杆件轴力，并与试验测量结果进行对比，如图9所示。

3 结束语

针对现有结构分析软件把螺栓连接当作刚性连接处理所带来的偏差，本文把螺栓滑移的位移-载荷关系曲线引入到有限元模拟中，对格构式结构的静态特性进行分析，并且与试验结果进行了比较。得出以下结论:

1)不考虑螺栓滑移影响的模型在预测格构式结构变形特性时是不准确的，因为它远远低估了格构式结构的真实变形能力。

2)螺栓滑移模型能够反映出结构的真实变形特性，并与试验测量结果吻合。为今后格构式结构的设计与评估提供有益参考。

[1] 赵滇生. 输电塔架结构的理论分析与受力性能研究[D]. 浙江: 浙江大学, 2003.

[2] SILVAA J G S, VELLASCOB P C G, ANDRADE S A L, et al. Structural assessment of current steel design models for transmission and telecommunication towers[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2005, 61(8): 1108-1134.

[3] JIANG W Q, WANG Z Q, MCCLURE G, et al. Accurate modeling of joint effects in lattice transmission towers[J]. Engineering Structures, 2011, 33(5): 1817-1827.

[4] 黄伟东, 陈海波, 王朋, 等. 螺栓滑移过程的数值模拟[C]// 第21届全国结构工程学术会议论文集: 第Ⅲ册, 2012: 014-017.

[5] 高康, 陈海波, 王朋, 等. 螺栓滑移对非均匀沉降输电塔承载能力的影响初探[J]. 中国科学技术大学学报, 2012, 45(12): 984-989.

[6] 王朋, 高康, 黄伟东, 等. 螺栓滑移对格构式结构静动态特性的影响研究[J]. 固体力学学报, 2013(S1): 211-215.

[7] 王朋, 陈海波. 螺栓连接对基础非均匀沉降输电塔的影响研究[J]. 工程力学, 2015, 32(10): 209-219.

王 朋(1985-), 男, 博士, 工程师, 主要从事雷达结构总体设计工作。

Effect of Boltloint on the Behaviour of Lattice Structurewith Non-uniform Settlement

WANG Peng

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The bolt hole are oversized in lattice structure in order to provide an erection tolerence. The calculated deformations are smaller than the experimental ones under the same load. In some instances for structure still functioning well with large non-uniform settlement, failure is predicted by structure analysis software. The main reasons for the discrepancy between the experimental results and the analytical solutions is bolt slippage. In this paper, the slipping beam model is developed based on the ANSYS, to which the deformation-load rela-tionship of bolted joint get by experiment is applied to analyze the behaviour of the lattice structure with non-uniform settlement.The calculated results are compared with those obtained from the traditional rigid-bolt treatment and experimental measurement. Simulation and test results show that the model with bolt slippage agree well with the experimental measurement. This would provide good reference for further engineering applications.

bolt slippage; lattice structure; non-uniform settlement; structural analysis

2015-12-11

TH123

A

1008-5300(2016)03-0019-04