何浩，曹瑞，杨林生 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

1 引言

钢结构建筑中的连接有诸多方式，其中螺栓连接是其重要方式之一。高强度螺栓具有良好的抗震性能、较高的连接强度、耐疲劳、方便等优点，在装配式钢结构住宅、大跨度桥梁等建筑中得到广泛的应用。近年来中国产钢量长期位于世界首位，为我国钢结构建筑业带来了良好的发展势头，需要将高强度螺栓连接的安全可靠性进一步提高。

朱铭等学者通过分析长列螺栓栓群连接接头实体模型确定螺栓群两端受力大。徐海鹰对多列螺栓布置的高强螺栓摩擦型连接的连接板进行有限元数值分析，发现节点位置中头列、尾列螺栓的传力比最大。张德莹等学者对摩擦型高强螺栓连接采用非线性有限元分析，发现摩擦型高强螺栓和节点板发生相对滑移后，每颗螺栓受到的摩擦力趋向相等，外荷载与螺栓传递的摩擦力之间存在非线性的关系。

现有文献未对孔距为定值的板宽和端距变化对盖板承载力的影响进行探讨，且我国现有《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）规定的摩擦抗剪型高强螺栓和一般抗剪型高强螺栓的端距、孔距和边距的容许间距是相同的，没有特定规定摩擦型高强螺栓的合理间距的范围。论文应用Abaqus有限元分析软件，采用四螺栓连接算例，对高强度螺栓及其变形情况进行仿真分析，考虑端距与板宽两种因素对螺栓连接的影响，确定螺栓连接在薄钢板中适用的端距和板宽。

2 高强度螺栓预紧状态下的有限元分析

2.1 有限元计算模型

双排摩擦型高强螺栓连接件有限元模型是由两个盖板、一个芯板和四个高强摩擦型螺栓构成的。高强螺栓采用8.8级M20螺栓，规格和尺寸参考GB/T 1288-2006。为保证盖板先于螺栓摩擦面破坏，盖板采用厚度h为2mm的钢板。盖板（GB）和芯板(XB)钢板长度a为300mm，螺栓孔中心间距e采用固定值70mm，板上开洞直径d为22mm，其余尺寸为见表1。部件尺寸符号和孔洞编号见图1。盖板和芯板之间的压力是由螺栓的预拉力来提供。预拉力设置按照《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）规范第11.4.2-2表格选取8.8级预拉力为125kN。盖板和芯板的接触面之间的摩擦系数为0.35。数据取样位置和计算模型简图见图2。

图1 盖板和芯板示意图

图2 数据取样位置和计算模型

部件尺寸 表1

2.2 材料本构

螺栓连接的预紧过程按弹性计算，设两种材料均为线弹性各向同性。螺栓和螺母的材料采用40Cr合金钢，两块盖板的材料采用Q235钢材，芯板的材料采用Q345钢材，材料属性见表2，本构模型见图3和图4。

部件材料属性 表2

图3 Q235级钢和Q345级钢本构模型

图4 螺栓材料本构模型

2.3 边界条件和载荷

在盖板的一侧施加固定约束，同在芯板板端施加沿x轴方向5mm的位移。螺栓的预拉力按照《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）第11.4.2-2取值为125kN；模型分析端距对高强螺栓连接件的连接性能的影响时，连接件采用XB-1分别与GB-1，2，3，4的组合，分析板宽距对高强螺栓连接件的连接性能的影响时，连接件采用XB-1与GB-1，XB-2与 GB-5，XB-3与 GB-6，XB-4与GB-7的组合。

2.4 盖板最大承载力限值

盖板最大承载力理论计算值 表3

3 模拟结果

①通过对图5进行分析，发现不同位移下，不同端距的盖板承受拉力也是极其相近，说明端距的变化对双排高强螺栓连接件影响很小。

图5 盖板承受拉力与端距的关系

②如图6所示，随着位移的增大，盖板很快进入塑性阶段。荷载－位移曲线出现弯折点，表现出良好的延性。随着板宽的增大，盖板的承载力不断增大。

图6 盖板承受拉力与板宽的关系

通过对盖板承受的最大拉力与位移关系可以进行分析，不同板宽盖板最大受拉承载力小于其摩擦力157.5kN且盖板屈服时的承载力小于表3的毛截面计算值，说明该模型在计算过程中摩擦力还未失效，盖板在截面较小处发生破坏，与模型有限元计算结果是相近的。模型的计算值是合理的。

4 结果分析

4.1 不同端距模型结果分析

由表4结果可以得到，端距为35mm时候，屈服荷载为48.93kN，位移为0.407mm，与端距为65mm的屈服荷载相比，其承载力提高了6‰，此时在这段端距范围内对盖板的承载力影响小。

不同端距试件参数对比 表4

图7是螺栓4两侧的应力分布图（负值应力值为拉应力），左侧(X轴负值)靠近板中，右侧(X轴正值)靠近板边。由图7可得，螺栓右侧的应力值均大于螺栓左侧的应力值。结果说明应力集中于螺栓4右侧。端距的增加仅略微改变了螺栓4右侧的应力分布，而且只在端距为45mm，应力最小，与其他端距应力值相比最大相差14.3MPa。改变端距无法解决应力集中在板端两侧的现象，增大端距无法提高承载力。

图7 盖板应力分布与端距的关系

不同板宽试件参数对比 表5

图8 盖板应力差值与板宽的关系

4.2 不同板宽模型结果分析

①表5是不同盖板板宽的取值条件下，有限元计算屈服荷载和公式计算的屈服荷载，以及有限元计算变形量的对比。

表5中可以发现板宽为140mm时，有限元屈服荷载计算值为48.93kN。随着板宽的增大，有限元计算值和变形均增大。当板宽为158mm时，有限元计算值为57.71kN，比板宽为140mm情况相比，荷载值提高了17%。与板宽为158mm的有限元计算值相比，板宽为202mm和246mm，两个荷载值分别提高了27.6%和48.7%。说明板宽对连接件的承载能力的影响很大。

根据表5做出的有限元值和公式的差值与板宽的关系图8可以发现，板宽增加会提高盖板承载力，影响是先加强后减弱，在板宽为158mm时候最能发挥连接件的整体承载能力。在板宽大于158mm以后，差值越来越大，说明盖板最小截面中未达到屈服强度的面积变大，不能更好地发挥连接件的承载力。

②由图9可以看出板宽的增加减小了最小截面应力的最大值，使其应力更加均匀分布在螺栓两侧，板宽为140mm时候，螺栓4右侧最小应力为238.3MPa，而板宽分别为158mm、202mm和246mm条件下的应力值比其小了2%、6.3%、15.4%。螺栓4右侧最远应力值，在板宽140mm和板宽为202mm的时候取得较小值。因此该数据可以说明板宽的增大有利于使截面应力趋于均匀。

图9 盖板应力分布与板宽的关系

5 结论

①端距增大不能减小后排两个螺栓两侧的最大应力值。端距在满足规范的情况下，端距改变使双排高强螺栓连接件的承载力的波动范围在6‰之内，对摩擦型双排高强螺栓连接件承载力的影响很小。端距取1.5d更合适。

②固定孔距的双排螺栓的连接件在满足规范的同时应尽可能地增大板宽，在板宽为158mm(7d)左右时候，可以使材料的用量和承载能力之比更合理。