1 概述 螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。 传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。用有限元分析软件MSC.Patran/MSC.Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。 2 有限元模型的建立 对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。 多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent)，另外一个节点为主节点(Independent)。主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。比例因子选为1,使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。 梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam，其能承受拉伸、剪切、扭转。通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。 本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。 2.1 几何模型 如图1所示组合装配体，底部约束。两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定。端面受联合载荷作用。
1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。其具有结构简单, 拆装方便,调整容易等优点, 被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。 传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节( 如应力集中、应力分布) 等等。通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。用有限元分析软件 MSC.Patran/MSC.Nastran 提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。 2 有限元模型的建立 对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。 多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent) ，另外一个节点为主节点(Independent) 。主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。比例因子选为1, 使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。 梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam其能承受拉伸、剪切、扭转。通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。 本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。 2.1 几何模型 如图 1 所示组合装配体，底部约束。两圆筒连接法兰通过8 颗螺栓固定。端面受联合载荷作用。
第三章连接返回 §3-6 高强度螺栓连接的构造和计算 高强度螺栓连接的工作性能和构造要求 一、高强度螺栓连接的工作性能 1、高强度螺栓的抗剪性能 由图中可以看出，由于高强度螺栓连接有较大的预拉力，从而使被连板叠中有很大的预压力，当连接受剪时，主要依靠摩擦力传力的高强度螺栓连接的抗剪承载力可达到1点。通过1点后，连接产生了滑解，当栓杆与孔壁接触后，连接又可继续承载直到破坏。如果连接的承载力只用到1点，即为高强度螺栓摩擦型连接；如果连接的承载力用到4点，即为高强度螺栓承压型连接。 2、高强度螺栓的抗拉性能 高强度螺栓在承受外拉力前，螺杆中已有很高的预拉力P，板层之间则有压力C，而P与C维持平衡（图）。当对螺栓施加外拉力N t，则栓杆在板层之间的压力未完全消失前被拉长，此时螺杆中拉力增量为ΔP，同时把压紧的板件拉松，使压力C减少ΔC（图）。 计算表明，当加于螺杆上的外拉力N t为预拉力P的80%时，螺杆内的拉力增加很少，因此可认为此时螺杆的预拉力基本不变。同时由实验得知，当外加拉力大于螺杆的预拉力时，卸荷后螺杆中的预拉力会变小，即发生松弛现象。 但当外加拉力小于螺杆预拉力的80%时，即无松弛现象发生。也就是说，被连接板件接触面间仍能保持一定的压紧力，可以假定整个板面始终处于紧密接触状态。但上述取值没有考虑杠杆作用而引起的撬力影响。实际上这种杠杆作用存在于所有螺栓的抗拉连接中。研究表明，当外拉力N t≤时，不出现撬力，如图所示，撬力Q大约在N t达到时开始出现，起初增加缓慢，以后逐渐加快，到临近破坏时因螺栓开始屈服而又有所下降。 由于撬力Q的存在，外拉力的极限值由N u下降到N'u。因此，如果在设计中不计算撬力Q，应使N≤；或者增大T形连接件翼缘板的刚度。分析表明，当翼缘板的厚度t1不小于2倍螺栓直径时，螺栓中可完全不产生撬力。实际上很难满足这一条件，可采用图所示的加劲肋代替。 在直接承受动力荷载的结构中，由于高强度螺栓连接受拉时的疲劳强度较低，每个高强度螺栓的外拉力不宜超过。 当需考虑撬力影响时，外拉力还得降低。 二、高强度螺栓连接的构造要求
拉力作用下高强螺栓连接的ansys 模拟 摘要:采用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ,对钢结构高强度螺栓连接的受力分布规律进行了计算和分析,得出了该构件的受力分布图,从理论上对高强度螺栓连接的破坏形式和受力变化进行了分析研究,为进一步改进高强螺栓连接构件的受力状况和结构设计提供了必要的理论依据。 关键词 ANSYS 螺栓连接 预应力 引言 钢结构高强度螺栓连接具有施工简单、耐疲劳、可拆换、连接的整体性和刚度较好等优点，是钢结构中所广泛采用的一种连接方式。因此有必要对其具体受力进行分析研究，本论文利用有限元软件ansys 模拟了一高强度螺栓构件在受拉力作用之下的应力状况。 1 螺栓连接构件基本参数 1．1 高强度螺栓的预拉力 高强度螺栓的预拉力是施加在连接构件上，产生了结构的整体性，通常来讲希望能尽量高些，但为了保证螺栓不会在拧仅过程中发生屈服或断裂，规范GBJ 17—88规定预拉力设计值按下式确定： e y e y A f A f P 675.0)2.1/9.09.0(=?= （1-1） 其中f y 是钢材的条件屈服强度；A e 为螺栓在螺纹处的有效截面面积。 1．2 连接处构件接触面的处理和抗滑移系数 高强度螺栓有摩擦型和承压型两种受里方式，本文仅仅讨论摩擦型高强螺栓结构结构；对于摩擦型高强螺栓而已，其构件的接触面（摩擦面）通常经特殊处理，使其净洁并粗糟，以提高其抗滑移系数μ；对于本论文中抗滑移系数选取为0.4。 2 高强螺栓连接有限元模型的建立 主要目的是通过ANSYS 的3D 实体建模，分析高强度螺栓抗拉在高温下的工作性能以及温度对高强度螺栓抗拉和抗剪的极限承载力的影响。建模过程中利用ANSYS 的Pre －tension 功能，施加高强度螺栓的预拉力，利用接触单元来考虑螺栓和孔壁的接触与分开的情况以及连接板之间的摩擦作用。在材料的选择方面考虑到高强度螺栓在抗拉状态下的受力分析，考虑了其强化阶段的弹塑性模型；连接板选用双析线弹塑性模型，分析过程中包含了材料、几何和状态的三重非线性。 2．1单元的选取 由于本文螺栓连接构件分析中采用的是细化的实体有限元模型，因此选取了如下几种单元：空间八节点SOLID45实体单元，预应力单元Prets179，目标单元Targe170和接触单元Contact174单元。SOLID45单元被用于三维的实体模型，有八个节点，每个节点有三个自由度：X 、Y 、Z 方向的位移。这种单元能够施加温度荷载，有塑性、延性、应力硬化、大变形、大应变的性能。预应力单元Prets179,用于模拟施加在高强螺栓中的预应力状态；在高强度螺栓连接板中的预加荷载对连接的应力发展过程和连接的承载力有重要的影响。高强度螺栓的预拉力可使用ANSYS 中的预拉力单元Prets179来施加。 对于本螺栓连接构件中，为了准确模拟两连接板通过螺栓连接而产生的接触面的受力分析，自然要选择接触分析的单元，接触问题是一种高度非线性行为，本论文选取目标单元
1. 用于紧联接的一个M16普通螺栓，小径d 1=14.376mm, 预紧力F ˊ=20000N,轴向工作载荷F =10000N,螺栓刚度C b =1 ×106N/mm,被联接件刚度C m =4×106N/mm,螺栓材料的许用应力[σ]=150N/mm 2; （1）计算螺栓所受的总拉力F （2）校核螺栓工作时的强度。 1. 解 （1） 2.010)41(1016 6 =?+?=+m b b C C C =20000+0.2×10000=22000N ………………（5分） (2) () 2210 376.144220003.143.1??==ππ σd F ca =176.2N/mm 2>[]σ ………………（5分） 2.图c 所示为一托架，20kN 的载荷作用在托架宽度方向的对称线上，用四个螺栓将托架连接在一钢制横梁上，螺栓的相对刚度为0.3，螺栓组连接采用普通螺栓连接形式，假设被连接件都不会被压溃，试计算: 1) 该螺栓组连接的接合面不出现间隙所需的螺栓预紧力F′ 至少应大于多少？（接合面的抗弯剖面模量W=12.71×106mm 3）（7分） 2）若受力最大螺栓处接合面间的残余预紧力F ′′ 要保证6956N ， 计算该螺栓所需预紧力F ′ 、所受的总拉力F 0。（3分） （1）、螺栓组联接受力分析：将托架受力 情况分解成下图所示的受轴向载荷Q 和受倾覆力矩M 的两种基本螺栓组连接情况分别考虑。 （2）计算受力最大螺栓的工作载荷F ：（1分） Q 使每个螺栓所受的轴向载荷均等，为:)(50004 200001N Z Q F === 倾覆力矩M 使左侧两个螺栓工作拉力减小；使右侧两个螺栓工作拉力增加，值为：)(41.65935.22745.22710626412 max 2N l Ml F i i =???==∑= 显然，轴线右侧两个螺栓所受轴向工作载荷最大，均为： (3)根据接合面间不出现间隙条件确定螺栓所需的预紧力F ’：
第39卷第1期建筑结构2009年1月 高强度螺栓连接的设计计算 蔡益燕 （中国建筑标准设计研究院，北京100044） 1高强度螺栓连接的应用 高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型。《钢结构 （G设计规范》B50017—2003）（简称钢规）指出目前制 造厂生产供应的高强度螺栓并无用于摩擦型和承压型连接之分”因高强度螺栓承压型连接的剪切变形比摩擦型的大，所以只适用于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构”。因为承压型连接的承载力取决于钉杆剪断或同一受力方向的钢板被压坏，其承载力较之摩擦型要高出很多。最近有人提出，摩擦面滑移量不大，因螺栓孔隙仅为115?2mm,而且不可能都偏向一侧，可以用承压型连接的承载力代替摩擦型连接的，对结构构件定位影响不大，可以节省很多螺栓，这算一项技术创新。下面谈谈对于这个问题的认识。 在抗震设计中，一律采用摩擦型；第二阶，摩擦型连接成为承压型连接，要求连接的极限承载力大于构件的塑性承载力，其最终目标是保证房屋大震不倒。如果在设计内力下就按承压型连接设计，虽然螺栓用量省了，但是设计荷载下承载力已用尽。如果来地震,螺栓连接注定要破坏，房屋将不再成为整体，势必倒塌。虽然大部分地区的设防烈度很低，但地震的发生目前仍无法准确预报，低烈度区发生较高烈度地震的概率虽然不多，但不能排除。而且钢结构的尺寸是以mm计的，现代技术设备要求精度极高,超高层建筑的安装精度要求也很高，结构按弹性设计允许摩擦面滑移，简直不可思议，只有摩擦型连接才能准确地控制结构尺寸。总体说来，笔者对上述建议很难认同。2高强度螺栓连接设计的新进展 钢规的715节连接节点板的计算”中,提出了支撑和次梁端部高强度螺栓连接处板件受拉引起的剪切破坏形式（图1）,类似破坏形式也常见于节点板连接，是对传统连接计算只考虑螺栓杆抗剪和钉孔处板件承压破坏的重要补充。 1994年美国加州北岭地震和1995年日本兵库县南部地震，是两次地震烈度很高的强震,引起大量钢框架梁柱连接的破坏，受到国际钢结构界的广泛关注。
定义 关于高强度螺栓的几个概念1.按规定螺栓的性能等级在8.8级以上者,称为高强度螺栓.现国家标准只罗列到M39,对于大尺寸规格,特别是长度大于%10~15倍的高强度螺栓,国内生产尚属短线 高强度外六角螺栓 高强度T型槽螺栓 高强螺栓与普通螺栓区别 高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。 普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。 高强度螺栓的材料35#钢或其它优质材料，制成后进行热处理，提高了强度。 两者的区别是材料强度的不同。 高强度螺栓 从原材料看： 高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等。普通螺栓常用Q235（相当于过去的A3）钢制造。 从强度等级上看： 高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中
10.9级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。 从受力特点来看： 高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。 根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16~M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。 高强度螺栓摩擦型和承压型连接的区别： 高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性
北京力学会第18届学术年会论文集：工程应用 螺栓连接薄板应力的有限元分析 王升涛张建宇 （北京航空航天大学航空科学与工程学院，100191） 摘要：用ANSYS 软件对带预紧力和装配应力的螺栓连接薄板应力分布进行有限元分析。针 对连接件不同约束条件，计算得到薄板受拉时预紧力对螺栓孔处等效应力的影响。 关键词：预紧力，接触，螺栓连接，有限元分析 一、 引言 带预紧力和装配应力的螺栓连接是飞机结构中的常见连接形式。预紧力的存在使被连接的构件之间存在摩擦力的作用，导致了构件之间力的相互作用变得复杂。本文应用有限元分析研究了螺栓孔附近应力的几种影响因素。 二、 有限元模型及计算结果 连接结构如图1，由两块较长的薄板搭接在一起，采用纵向排列的两个沉头螺栓联接。薄板材料为铝合金，弹性模量取为70GPa ，泊松比取为0.33，螺栓材料为合金钢，弹性模量取为200GPa ，泊松比取为0.3。 图1 螺栓连接结构 为了更精确地模拟螺栓连接的力学行为和应力分布，划分网格之后，在模型中创建了9个接触对。模型中装配应力的施加是通过在接触对上设定初始干涉来实现的，而预应力的施加是通过降低螺栓的温度实现的。假设连接件一端固支，另一端受均布拉力q 的作用，几何尺寸固定不变，并假定装配应力为某一固定值不变，分别对以下两种情况进行了有限元分析：(1)薄板上下表面自由。(2)薄板不能发生弯曲。 情况(1)的计算结果汇总在图3-图5中，情况(2)结果汇总在图6-图7中，其中F 为预紧力，max σ为最大von Mises 应力，q 为板端均布拉力，k 为max σ与q 的比值。图3、 图6表明薄板表面的约束情况不同，应力分布也会有所不同，但最大von Mises 应力都出现在带沉孔板的螺栓孔孔壁上。图4表明在情况(1)下，一定范围内的预紧力对螺栓孔处的最大von Mises 应力没有明显影响。图5表明情况(1)下，螺栓孔处的最大应力随拉力的增加线性增加。图7表明在情况(2)下，预紧力对螺栓孔处最大von Mises 应力有较大影响；不同拉力水平下，预紧力对最大von Mises 应力的影响趋势相同，具体体现为：预紧力较小时，最大von Mises 应力较大，随着预紧力的增加，最大von Mises 应力减小，预紧力继续增加，最大von Mises 应力增大。
联接螺栓的强度计算方法
一．连接螺栓的选用及预紧力： 1、已知条件： 螺栓的s＝730MPa 螺栓的拧紧力矩T=49N.m 2、拧紧力矩： 为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩T2。装配时可用力矩扳手法控制力矩。 公式：T=T1+T2=K* F* d 拧紧扳手力矩T=49N.m 其中K为拧紧力矩系数， F为预紧力N d为螺纹公称直径mm 其中K为拧紧力矩系数， F为预紧力N d为螺纹公称直径mm 摩擦表面状态K值 有润滑无润滑 精加工表面0.1 0.12 一般工表面0.13-0.15 0.18-0.21 表面氧化0.2 0.24 镀锌0.18 0.22 粗加工表面- 0.26-0.3 取K＝0.28，则预紧力 F＝T/0.28*10*10-3＝17500N 3、承受预紧力螺栓的强度计算： 螺栓公称应力截面面积As（mm）=58mm2
外螺纹小径d1=8.38mm 外螺纹中径d2=9.03mm 计算直径d3＝8.16mm 螺纹原始三角形高度h=1.29mm 螺纹原始三角形根部厚度b=1.12mm 紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。 螺栓的最大拉伸应力σ1(MPa)。 1s F A σ==17500N/58*10-6m 2=302MPa 剪切应力： =0.51σ=151 MPa 根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力: =1.3*302=392.6 MPa 强度条件： =392.6≤730*0.8=584 预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s σ的80%。 () 203 1tan 2 16 v T d F T W d ?ρτπ += = 1.31ca σσ≈[] 02 11.34F ca d σσπ =≤
第三章 连接 返回 §3-5 普通螺栓的构造和计算 3.5.1螺栓的排列和其他构造要求 一、螺栓的排列 螺栓在构件上排列应简单、统一、整齐而紧凑，通常分为并列和错列两种形式（图3.5.1）。并列比较简单整齐，所用连接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，对构件截面削弱较大。错列可以减小螺栓孔对截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列紧凑，连接板尺寸较大。 螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求： （1）受力要求：在受力方向螺栓的端距过小时，钢材有剪断或撕裂的可能。各排螺栓距和线距太小时，构件有沿折线或直线破坏的可能。对受压构件，当沿作用方向螺栓距过大时，被连板间易发生鼓曲和张口现象。 （2）构造要求：螺栓的中矩及边距不宜过大，否则钢板间不能紧密贴合，潮气侵入缝隙使钢材锈蚀。 （3）施工要求：要保证一定的空间，便于转动螺栓板手拧紧螺帽。 根据上述要求，规定了螺栓（或铆钉）的最大、最小容许距离，见表3.5.1。螺栓沿型钢长度方向上排列的间距，除应满足表3.5.1的要求外，尚应满足附录10螺栓线距的要求。
二、螺栓的其他构造要求 螺栓连接除了满足上述螺栓排列的容许距离外，根据不同情况尚应满足下列构造要求： （1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的一端，永久性螺栓数不宜少于两个。但根据实践经验，对于组合构件的缀条，其端部连接可采用一个螺栓。 （2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或其他防止螺帽松动的有效措施。例如采用弹簧垫圈，或将螺帽或螺杆焊死等方法。 （3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺栓受剪。但在重要的连接中，例如：制动梁或吊车梁上翼缘与柱的连接，由于传递制动梁的水平支承反力，同时受到反复动力荷载作用，不得采用C级螺栓。柱间支撑与柱的连接，以及在柱间支撑处吊车梁下翼缘的连接，因承受着反复的水平制动力和卡轨力，应优先采用高强度螺栓。 （4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板），应适当加强其刚度（如加设加劲肋），以减少撬力对螺栓抗拉承载力的不利影响。 3.5.2普通螺栓的受剪连接 普通螺栓连接按受力情况可分为三类：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力的共同作用。下面先介绍螺栓受剪时的工作性能和计算方法。 一、受剪连接的工作性能 抗剪连接是最常见的螺栓连接。如果以图3.5.2（a）所示的螺栓连接试件作抗剪试验，可得出试件上a、b两点之间的相对位移δ与作用力N的关系曲线（图3.5.2b）。该曲线给出了试件由零载一直加载至连接破坏的全过程，经历了以下四个阶段： （1）摩擦传力的弹性阶段在施加荷载之初，荷载较小，荷载靠构件间接触面的摩擦力传递，螺栓杆与孔壁之间的间隙保持不变，连接工作处于弹性阶段，在N-δ图上呈现出0，1斜直线段。但由于板件间摩擦力的大小取决于拧紧螺帽时在螺杆中的初始拉力，一般说来，普通螺栓的初拉力很小，故此阶段很短。 （2）滑移阶段当荷载增大，连接中的剪力达到构件间摩擦力的最大值，板件间产生相对滑移，其最大滑移量为螺栓杆与孔壁之间的间隙，直至螺栓与孔壁接触，相应于N-δ曲线上的1，2水平段。
关于钢结构螺栓连接节点的有限元分析方法探讨 摘要：随着我国钢结构建筑的兴起，针对钢结构分析的有限元模拟方法不断发展和完善，针对民用高层钢结构的有限元分析计算基本满足。然而对于复杂的结构形式尤其是重型钢结构中螺栓连接节点，寻常的分析方法及软件可能达不到精细有限元分析的要求或者分析出的结果并不符合力学常识。本文从钢结构螺栓连接节点的模拟方法、钢结构螺栓连接节点中螺栓的模拟方法及性能、钢结构螺栓连接节点的形式及性能等三方面研究探讨了国内外现有研究的优缺点，为后来者研究这类复杂结构提供帮助。 关键词：钢结构；有限元方法；螺栓连接节点；螺栓模拟 1.引言 改革开放以来，随着科学技术的发展，我国的钢结构建设逐渐兴起。尤其是沿海一带经济发达地区钢结构发展更是迅猛先后建成了上海金茂大厦（88层、高365米）、环球金融中心（95层、高460米）、深圳地王大厦（384米）等超高层建筑[1]。我国钢结构建设不仅在高层建筑中发展势头良好更是得到了工业建筑的“青睐”。钢结构凭借着轻质高强、结构高效、建筑美观等优点，使结构的适用性和美观性充分
的结合在一起，故而成为近几年工业建筑首选的结构模式[2]。随着钢结构设计的发展为了优化结构设计，减少结构建造成本，确保结构的安全稳定，在工业建筑钢结构尤其是重型钢结构中需对结构进行有限元仿真模拟分析。 从所周知有限元模拟分析在钢结构设计中运用广泛，但对于复杂的结构形式尤其是重型钢结构中螺栓连接节点，由于其连接位置内力较大，所需高强螺栓少则几十多则数百，而螺栓群连接处两块被连接的板件和螺栓自身的内力都十 分复杂。为揭示重型钢结构中螺栓连接节点的受力性能，通常需要对这种复杂连接进行精细的有限元数值模拟分析。由于模型本身及其约束条件的复杂化，寻常的分析方法及软件可能达不到精细有限元分析的要求或者分析出的结果并不 符合力学常识。 本文针对这种情况，从钢结构螺栓连接节点的模拟方法研究、钢结构螺栓连接节点中螺栓的模拟方法及性能研究、钢结构螺栓连接节点的形式及性能的研究，这三方面总结了国内外已做出的研究，希望对后来者研究这类复杂结构提供帮助。 2.螺栓连接节点的模拟方法研究及应用概况 实际工程中螺栓连接节点受力复杂，常常通过对节点所处位置、约束等限定进行定性的分析。即使如此，螺栓连接节点的受力依然很复杂。为了能够合理的模拟螺栓连接节点
钢结构练习四螺栓连接 一、选择题（××不做要求） 1．单个螺栓的承压承载力中，[N]= d∑t·f y，其中∑t为（ D ）。 A）a＋c＋e B）b＋d C）max{a+c+e，b+d} D）min{a+c+e，b+d} 2．每个受剪拉作用的摩擦型高强度螺栓所受的拉力应低于其预拉力的（ C ）。 A）1.0倍B）0.5倍C）0.8倍D）0.7倍 3．摩擦型高强度螺栓连接与承压型高强度螺栓连接的主要区别是（ D ）。 A）摩擦面处理不同B）材料不同 C）预拉力不同D）设计计算不同 4．承压型高强度螺栓可用于（ D ）。 A）直接承受动力荷载 B）承受反复荷载作用的结构的连接 C）冷弯薄壁型钢结构的连接 D）承受静力荷载或间接承受动力荷载结构的连接 5．一个普通剪力螺栓在抗剪连接中的承载力是（ D ）。 A）螺杆的抗剪承载力B）被连接构件（板）的承压承载力 C）前两者中的较大值D）A、B中的较小值 6．摩擦型高强度螺栓在杆轴方向受拉的连接计算时，（ C ）。 A）与摩擦面处理方法有关B）与摩擦面的数量有关 C）与螺栓直径有关D）与螺栓性能等级无关 7．图示为粗制螺栓连接，螺栓和钢板均为Q235钢，则该连接中螺栓的受剪面有（ C ）个。 A）1 B）2 C）3 D）不能确定 8．图示为粗制螺栓连接，螺栓和钢板均为Q235钢，连接板厚度如图示，则该连接中承压板厚度为（ B ）mm。 A）10 B）20 C）30 D）40
9．普通螺栓和承压型高强螺栓受剪连接的五种可能破坏形式是：I ．螺栓剪断；Ⅱ．孔壁承压破坏；Ⅲ．板件端部剪坏；Ⅳ．板件拉断；Ⅴ．螺栓弯曲变形。其中（ B ）种形式是通过计算来保证的。 A ）I 、Ⅱ、Ⅲ B ）I 、Ⅱ、Ⅳ C ）I 、Ⅱ、Ⅴ D ）Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 10．摩擦型高强度螺栓受拉时，螺栓的抗剪承载力（ B ）。 A ）提高 B ）降低 C ）按普通螺栓计算 D ）按承压型高强度螺栓计算 11．高强度螺栓的抗拉承载力（ B ）。 A ）与作用拉力大小有关 B ）与预拉力大小有关 C ）与连接件表面处理情况有关 D ）与A ，B 和C 都无关 12．一宽度为b ，厚度为t 的钢板上有一直径为d 0的孔，则钢板的净截面面积为（ C ）。 A ）t d t b A n ?-?=2 B ）t d t b A n ?-?=420π C ）t d t b A n ?-?=0 D ）t d t b A n ?-?=2 0π 13．剪力螺栓在破坏时，若栓杆细而连接板较厚时易发生（ A ）破坏；若栓杆粗而连接板较薄时，易发生（ B ）破坏。 A ）栓杆受弯破坏 B ）构件挤压破坏 C ）构件受拉破坏 D ）构件冲剪破坏 14．摩擦型高强度螺栓的计算公式)25.1(9.0t f b v N P n N -?=μ中符号的意义，下述何项为正确？ （ D ）。 A ）对同一种直径的螺栓，P 值应根据连接要求计算确定 B ）0.9是考虑连接可能存在偏心，承载力的降低系数 C ）1.25是拉力的分项系数 D ）1.25是用来提高拉力N t ，以考虑摩擦系数在预压力减小时变小使承载力降低的不利因素。 ？？？15．在直接受动力荷载作用的情况下，下列情况中采用（ A ）连接方式最为适合。 A ）角焊缝 B ）普通螺栓 C ）对接焊缝 D ）高强螺栓 16．在正常情况下，根据普通螺栓群连接设计的假定，在M≠0时，构件B （ D ）。 A ）必绕形心d 转动 B ）绕哪根轴转动与N 无关，仅取决于M 的大小 C ）绕哪根轴转动与M 无关，仅取决于N 的大小 D ）当N=0时，必绕c 转动
1 高强螺栓选定： 长度=连接板层总厚+紧固长度加长值+螺母公称厚度+垫圈个数*垫圈厚度+3*螺纹螺距 高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大． 普通螺栓的材料是Ｑ２３５（即Ａ３）制造的． 高强度螺栓的材料３５＃钢或其它优质材料，制成后进行热处理，提高了强度． 两者的区别是材料强度的不同． 从原材料看： 高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用 45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢。普通螺栓常用Q235钢制造。 从强度等级上看： 高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。 从受力特点来看： 高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，
使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。 根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16~M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。 高强度螺栓摩擦型和承压型连接的区别： 高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。在抗剪设计时，高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓，只不过是设计是 否考虑滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动，螺栓不承受剪力，一旦滑
ICS21.060.10 2003年2月 VDI 2230 第一部分 高强度螺栓连接的系统计算 单个圆柱螺栓连接 内容页 指南的基本注解 VDI 2230第1部分新版本2003年. . . . . . .………………………………….………… . . . . . . . 3 1 有效范围. . . . . . . . . . …………………………………………………………………………….………. . . . . . 3 2 技术准则 VDI 2230第1部分，1986年7月版与2001年10月修订版的差异.... . (3) 3 载荷和变形条件 (4) 3.1 可用的计算方法概述 (4) 3.2 单个螺栓连接计算，力和变形分析................... . (5) 3.2.1 同轴紧固单螺栓连接 (8) 3.2.2 偏心紧固单螺栓连接 (8) 3.2.3 单边开放的连接 (10) 3.2.4 横向力的影响. . . . . …………………………….…….…….……………………………...……………… . 10 4 计算步骤................................................................... (10) 4.1 概述. . . . . . . . . ………………………………….………….…………………………………………. . . . . . . 10 4.2 说明. . . . . ………………………………….…………………. ………………………………... . . . . . . . . . . 11 5 数值计算……………………………… . . . . . . …….…….……. ………………………….………………. . . . . 19 5.1 连接的回弹. . . . ……………………………………….……. ……………………………………………... . 19 5.1.1 螺栓的回弹. . . . . . . . . (19) 5.1.1.1 轴向回弹. . . ………………………………………….………………………….…………………. . . . . 20 5.1.1.2 弯曲回弹. . . . . (21) 5.1.2 重叠被连接件的回弹 (21) 5.1.2.1 同轴紧固单螺栓连接的回弹........................................... (23) 5.1.2.2 偏心紧固单螺栓连接的回弹............................................ .. (26) 5.1.2.3 偏心作用的轴向工作载荷的回弹 (31) 5.2 载荷系数. . . . . . . . . . . . . ……………………………………………………………………………………. . 32 5.2.1 轴向作用的工作载荷的作用线-距离a…………………...…………………………………………. . . . .32 5.2.2 载荷系数. . . . ……………………………………………..……………………………………………… . . 32 5.2.2.1 基本原理. . . . . . . (33) 5.2.2.2 确定载荷系数n的步骤.................................................... . (34) 5.3 载荷系数和附加螺栓载荷 (38) 5.3.1 载荷系数和附加螺栓载荷的上限.......... . (38) 5.3.1.1同轴负载. . . . ………………………...…………………………………………………………………. . 40 5.3.1.2偏心负载. . . . . . (40) 5.3.1.3 特殊情况下的外部弯曲力矩 (41) 5.3.2 偏心载荷情况下上限的关系式 (41) 5.3.3 开式连接的关系式 (44) 5.4 预加载荷. . . . . . . . . ………………… ……. . . …………………………………………………………… . 47 5.4.1 最小夹紧力 (47) 5.4.2 预紧力的变化. . .... . . . . . . . . (47) 5.4.2.1 由于压陷和松弛产生的预紧力变化 (47)