带贴板销轴耳板连接参数化分析及设计方法研究.pdf
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1、由于销轴耳板连接力学性能良好,施工安装方便,是索节点常用的连接形式工程中为了提高无贴板销轴耳板连接的极限承载力,常在耳板两侧焊接贴板然而现阶段针对带贴板销轴耳板连接的研究相对较少,其极限承载力计算方法尚未明确为探究带贴板销轴耳板连接的破坏形式和极限承载力影响因素,设计了 20 个销轴耳板连接试件,包括 4 个无贴板销轴耳板连接试件和 16 个带贴板的销轴耳板连接试件,并进行破坏性试验采用有限元软件 ABAQUS 对其力学性能和破坏形式进行数值模拟,模拟得到的破坏形式、极限承载力与试验结果基本一致,验证了有限元方法的正确性基于有限元模型对带贴板销轴耳板连接进行参数化分析,研究销孔直径、耳板端距、
2、耳板边距等参数对销轴耳板连接极限承载力的影响通过理论推导和线性拟合的方法得到了带贴板销轴耳板连接孔壁承压破坏、净截面拉断破坏、端部截面剪切破坏下的极限承载力计算公式由于贴板通过焊缝与耳板连接,在焊缝的作用下与耳板协同承受荷载,因此必须保证焊缝的强度,通过理论推导得出了环形角焊缝极限承载力的计算公式,并与有限元模拟计算结果对比,结果较为接近本文为实际工程中验算带贴板的销轴耳板连接的极限承载力提供了理论支持,可用于指导实际工作 关键词:带贴板的销轴耳板连接;试验研究;有限元分析;极限承载力;破坏模式 中图分类号:TU392 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2023)10-1064-1
3、4 Research on the Parametric Analysis and Design Method of Pin-Trunnion-Lug Connection with Affixed Plates Chen Zhihua1,Qian Siqing1,Liu Hongbo1,2(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China;2.School of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China)A
4、bstract:Owing to the good mechanical properties and the convenience of construction and installation,pin-trunnion-lug connection is a common connection form of the cable structure node.To improve the ultimate bearing capacity of the common pin-trunnion-lug connection,a plate is often welded on both
5、sides of the trunnion respectively.However,at this stage,there is relatively little research on the pin-trunnion-lug connection with affixed plates,and the ultimate bearing capacity calculation method is not yet clear.To investigate the influencing factors of the damage formand the ultimate bearing
6、capacity of the pin-trunnion-lug connection with affixed plates,20 pin-trunnion-lug connec-tion specimens,including 4 specimens without any affixed plate and 16 specimens with affixed plates,were designed and tested for tensile damage.The finite element software ABAQUS was used to numerically simula
7、te the mechanicalproperties and damage forms of the connection,and those obtained from the simulation were consistent with the test results,thus verifying the correctness of the finite element method.Based on the finite element model,a parametricanalysis was performed on the pin-trunnion-lug connect
8、ion with affixed plates to study the influence of the parametersincluding pinhole diameter,end distance of the trunnion,and edge distance of the trunnion on the ultimate bearingcapacity of the pin-trunnion-lug connection.The ultimate bearing capacity calculation formulas are obtained for the pin-tru
9、nnion-lug connection with affixed plates under the compression damage of the hole wall,tensile damage of the 2023 年 10 月 陈志华等:带贴板销轴耳板连接参数化分析及设计方法研究 1065 net section,and shear damage of the end section using theoretical derivation and linear fitting method.Since the plate is connected to the lug thro
10、ugh the weld,it is necessary to ensure the strength of the weld,and the calculation formulaof the ultimate bearing capacity of the circumferential fillet weld is derived by theoretical derivation and comparedwith the results of finite element simulation.Similar results are obtained using both method
11、s.This study provides atheoretical support for verifying the ultimate bearing capacity of the pin-trunnion-lug connection with affixed plates in actual engineering and guides the practical work.Keywords:pin-trunnion-lug connection with affixed plates;experimental study;finite element analysis;ultima
12、tebearing capacity;failure mode 近年来,索结构体系在建筑领域得到了迅速的发展和广泛的应用,如奥运会羽毛球馆、石家庄国际会展中心等大跨度建筑结构1-3 其中索节点连接拉索与诸多构件,节点受力复杂且内力较大,节点一旦发生破坏,甚至会引发整体结构的连续倒塌破坏,因此,在结构设计的过程中应重视索节点,确保其使用安全可靠 销轴耳板连接节点由于其力学性能良好、施工安装方便,是索结构节点常用的连接形式 为了提高无贴板销轴耳板连接的承载力,工程中常在耳板两侧焊接贴板 相关学者通过理论分析和试验研究,对销轴连接问题进行了一定的研究 Ciavarella 等4-5基于无摩擦假设,给
13、出了弹性相似材料的销轴与无限板间接触问题的一个完全封闭解,得到了接触角和应力分布情况,证明了弹性相异几乎不会影响无量纲压力的分布情况 Choo 等6通过 ABAQUS 建模分析了耳板形状对极限强度的影响 颜东煌等7以佛山东平大桥的销轴耳板连接为研究对象,分析结果表明材料本构、外荷载大小对结果影响较大,接触宽度是影响破坏模式转变的一个重要因素,而摩擦系数几乎没有影响 张泽宇等8对不同厚度的销轴与铸钢耳板连接件进行了试验研究,并辅以有限元分析进行对比 马建伟 等9通过有限元数值分析和试验分析研究了销轴耳板连接节点的破坏模式、承载能力等 王仲衡等10研究了耳板端距、耳板边距、销孔间隙以及焊接贴板等因
14、素对于销轴耳板连接承载力的影响 陈志华等11研究了销轴耳板连接承载力和破坏形式的影响因素,并提出销轴耳板连接孔壁承压承载力、净截面抗拉承载力和端部截面抗剪承载力计算方法 然而为了减小耳板销孔处的应力集中情况,工程中常在耳板两侧焊接贴板,从而提高无贴板销轴耳板连接的承载力 对于带贴板的销轴耳板连接,我国规范并未给出承载力计算公式和相关设计方法 由于销轴的弯曲变形导致耳板和贴板受力不协调,在变形的过程中与销轴的接触面积逐渐减小,不能直接按照无贴板销轴耳板承载力计算方法计算,因此有必要通过试验和有限元分析来探究耳板两侧贴板尺寸对于销轴耳板连接承载力的影响 鉴于此,通过对带贴板的销轴耳板连接进行单轴拉
15、伸试验,得到了不同贴板尺寸的销轴耳板连接的破坏形式和荷载-销孔变形曲线,采用 ABAQUS 对试件进行数值模拟,探究贴板直径和贴板厚度对于销轴耳板连接承载力的影响,并得到了贴板的孔壁承压承载力、净截面抗拉承载力、端部截面抗剪承载力计算公式,并结合无贴板销轴耳板连接的研究成果,给出带贴板的销轴耳板连接承载力计算公式和设计方法 1 试验研究 1.1 试件设计 本试验考虑贴板直径和贴板厚度等参数对于销轴耳板连接承载力的影响,设计了 4 组共 20 个耳板试件,试件形状如图 1 和图 2 所示,试件参数如表 1所示 耳板材料为 Q235B,销轴材料为 40Cr 图 1 无贴板销轴耳板连接示意 Fig.
16、1 Schematic of the pin-trunnion-lug connection 图 2 带贴板销轴耳板连接示意 Fig.2Schematic of the pin-trunnion-lug connection with affixed plates 1066 天津大学学报(自然科学与工程技术版)第 56 卷 第 10 期 表 1 销轴耳板连接试件尺寸 Tab.1 Dimensions of the pin-trunnion-lug connection 编号 销孔直径/mm 耳板厚度/mm 耳板端距/mm耳板边距/mm 贴板直径/mm贴板厚度/mmAPL-0 60 20 40
17、40 APL-1 60 20 40 40 80 8 APL-2 60 20 40 40 80 5 APL-3 60 20 40 40 90 8 APL-4 60 20 40 40 90 5 BPL-0 60 20 65 40 BPL-1 60 20 65 40 80 8 BPL-2 60 20 65 40 80 5 BPL-3 60 20 65 40 90 8 BPL-4 60 20 65 40 90 5 CPL-0 60 10 40 40 CPL-1 60 10 40 40 80 8 CPL-2 60 10 40 40 80 5 CPL-3 60 10 40 40 90 8 CPL-4 60
18、 10 40 40 90 5 DPL-0 30 10 40 40 DPL-1 30 10 40 40 50 8 DPL-2 30 10 40 40 50 5 DPL-3 30 10 40 40 60 8 DPL-4 30 10 40 40 60 5 1.2 材性试验结果 耳板及贴板均采用 Q235B 钢材,为了确定材料的应力-应变关系,根据耳板和贴板的不同厚度,分别从同一批钢材中取样制成材性试件进行拉伸试验,得到的试件的屈服强度、抗拉强度等参数如表 2 所示 表 2 Q235B钢材材性试验结果 Tab.2 Materiality test results of Q235B 材性试件 厚度/mm
19、 平均宽度/mm 平均厚度/mm 平均屈服强度/MPa 平均抗拉强度/MPa05 19.80 04.76 385 524 08 19.79 07.83 350 503 10 19.84 10.00 320 465 20 20.05 19.93 271 430 1.3 试件装置和加载方案 本次试验采用 300t 卧拉试验机,通过位移控制对试件进行加载 耳板试件通过销轴与连接件连接,连接件通过销轴再与卧拉试验机固定端卡头和加载端卡头连接 已连接的试件如图 3 所示,应变片测点布置如图 4 所示 试验时,首先对销轴耳板连接试件进行预加载,确保拉力荷载轴线与耳板纵向轴线重合,正式加载阶段采用位移控制加
20、载制度,加载至试件发生断裂破坏即停止加载 通过测量销轴位移间接测量销孔变形,通过应变片即数据采集仪测量应变 图 3 销轴耳板连接试验装置 Fig.3 Pin-trunnion-lug connection test device (a)无贴板 (b)带贴板 图 4 应变片测点布置示意 Fig.4 Arrangement of the strain gauge measurement points 2 试验结果 2.1 试验现象 为了便于分析,将发生破坏的截面按图 5 进行定义,K-K 截面为发生净截面拉断破坏的危险截面,L-L截面为发生端部剪切破坏的危险截面,N 区域为孔前发生挤堆的位置,M-
21、M 截面为发生根部截面破坏的危险截面 图 5 销轴耳板连接试验装置示意 Fig.5Schematic of the pin-trunnion-lug connection test device 在加载过程中,随着荷载的逐渐增大,销轴与销孔的接触面积逐渐增大,销孔在力的作用下,由圆形被拉至椭圆形,当荷载达到峰值开始下降后,荷载值 2023 年 10 月 陈志华等:带贴板销轴耳板连接参数化分析及设计方法研究 1067 下降速率逐渐加快,最终试件发生破坏,主要发生剪切破坏,破坏位置沿着 L-L 截面与 K-K 截面中间的区域,部分试件发生剪切破坏的同时,耳板根部 M-M截面发生颈缩现象.试件的主要
22、破坏形式如图 6 所示.(a)APL-0 (b)CPL-0 (c)APL-1 (d)CPL-1 图 6 销轴耳板连接试件破坏形式 Fig.6 Failure modes of the pin-trunnion-lug connectionspecimen 2.2 荷载-销孔变形曲线 对于带贴板的销轴耳板连接,贴板可以和耳板协同受力以提高销轴耳板连接的承载力,且承载力随贴板厚度和贴板直径的增大而增大,利用试验所得带贴板的耳板试件承载力减去无贴板耳板承载力可得贴板承受荷载值,贴板承载力和贴板承载力贡献率如表3 所示 极限承载力对应销孔变形(以下简称极限销孔变形)反映了销轴耳板连接的变形能力,通过在
23、耳板两侧焊接贴板可以提高耳板极限销孔变形,其中 D类试件中 DPL-3 试件极限销孔变形最大,贴板承载力最大,贴板承载力贡献率最高,焊接贴板效果最 明显 表 3 极限承载力试验结果 Tab.3 Ultimate bearing capacity test results 编号整体承载力/kN贴板承载力/kN 贴板承载力贡献率/%APL-0498.9 APL-1722.5 223.6 30.95 APL-2642.3 143.4 22.33 APL-3777.2 278.3 35.81 APL-4681.5 182.6 26.79 BPL-0610.4 BPL-1811.7 201.3 24.8
24、0 BPL-2750.6 140.2 18.68 BPL-3861.8 251.4 29.17 BPL-4779.8 169.4 21.72 CPL-0267.1 CPL-1462.9 195.8 42.30 CPL-2394.1 127.0 32.23 CPL-3523.3 256.2 48.96 CPL-4432.5 165.4 38.24 DPL-0227.2 DPL-1402.6 175.4 43.57 DPL-2359.1 131.9 36.73 DPL-3464.9 237.7 51.13 DPL-4357.4 130.2 36.43 通过试验得到的带贴板的销轴耳板连接试件的荷载-
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