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高強(qiáng)度(Q460級或更高強(qiáng)度)鋼材已在實(shí)際工程中得到了逐步推廣和應(yīng)用。與普通強(qiáng)度鋼材相比，高強(qiáng)度鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有明顯提高，但是塑性變形能力卻下降，因而需要對高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)受力性能展開試驗(yàn)研究和理論分析。之前進(jìn)行了9組Q460等級高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)度鋼材孔壁承壓性能與普通強(qiáng)度鋼材存在較大差異，歐洲規(guī)范和美國規(guī)范都不能很好地預(yù)測其破壞模式和承載力，而中國規(guī)范困也未給出高強(qiáng)度鋼材鋼板承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因而建立能夠準(zhǔn)確模擬高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接破壞模式和極限承載力的有限元分析模型，對于高強(qiáng)度鋼材孔壁承壓性能的研究具有至關(guān)重要的作用。
近年來，有限元技術(shù)的發(fā)展己經(jīng)能夠?qū)β菟ㄟB接建立三維有限元實(shí)體模型進(jìn)行材料、幾何、接觸非線性分析。研究中運(yùn)用通用有限元程序ANSYS建立有限元模型，對之前進(jìn)行的9組Q460等級高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接試驗(yàn)進(jìn)行了有限元分析，詳細(xì)介紹了建立有限元模型的具體方法，給出了分析極限承載力的求解全過程，提出了影響模擬精度的重要因素。根據(jù)端距、邊距和螺栓間距的不同，采用有限元模型模擬出了連接板發(fā)生的孔壁承壓破壞、凈截而破壞等不同的破壞模式。通過將有限元計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。
對應(yīng)2種厚度的Q460中國產(chǎn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，共進(jìn)行了6組材性試驗(yàn)。可以發(fā)現(xiàn)，鋼材強(qiáng)度提高的同時(shí)，塑性變形能力也有所下降。通過材性試驗(yàn)的荷載-位移曲線轉(zhuǎn)化得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系無法準(zhǔn)確表示材料真實(shí)的力學(xué)行為，特別是在大應(yīng)變情況下，材料頸縮后斷口截而不斷減小會(huì)嚴(yán)重影響真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測定。
試驗(yàn)采用雙蓋板拼接形式蓋板厚度為40 mm，以保證試件破壞發(fā)生在芯板上。螺栓采用10.9級M27高強(qiáng)度螺栓，以防螺栓桿提前被剪斷，螺栓未加預(yù)拉力，螺栓孔直徑do=30mm。試驗(yàn)主要有以下幾個(gè)參數(shù)，通過改變各參數(shù)取值，得到不同的破壞模式。
試驗(yàn)采用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行豎向拉伸，試件的兩端經(jīng)過滾花處理以增大試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持力，保證在加載過程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。在節(jié)點(diǎn)區(qū)兩側(cè)各布置1個(gè)位移計(jì)，量測結(jié)果的平均值作為節(jié)點(diǎn)區(qū)的變形。試件的極限承載力根據(jù)加載設(shè)備的力傳感器直接得到。
采用通用有限元程序ANSYS建立有限元模型，進(jìn)行材料、幾何、接觸非線性分析，模擬高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接孔壁承壓性能，研究其破壞模式和極限承載力。
鋼板和高強(qiáng)度螺栓采用單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。單元能夠容忍形狀畸變，而不會(huì)對計(jì)算精度造成很大影響。這種單元特別適合曲邊模型，有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，二方向轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠適用于塑性分析、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變。接觸單元Conta173和目標(biāo)單元Targe170一起組成接觸對，模擬接觸而的擠壓、滑動(dòng)等力學(xué)行為。此類單元可以覆蓋于實(shí)體單元或殼單元上，無需重新定義節(jié)點(diǎn)。
大應(yīng)變分析應(yīng)優(yōu)先選用雙線性應(yīng)力位變關(guān)系，曲線初始斜率取為材料彈性模量。但是這種模型假定鋼材拉壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相同，忽略了屈服后大塑性壓應(yīng)變下的強(qiáng)度折減，而有限元模型2則考慮了這種效應(yīng)，建議折減率取為2倍的屈服后切線模量。也提出了一種雙線性應(yīng)力位變關(guān)系有限元模型。
接觸分析會(huì)耗費(fèi)最大的計(jì)算資源，因而有必要在計(jì)算精度滿足的前提下采用盡量簡單的有限元模型，考慮到試驗(yàn)對稱性，將建立試件的半邊模型。研究發(fā)現(xiàn)，試件長度超出一定值之后，對破壞模態(tài)和極限承載力分析結(jié)果的影響可以忽略，建議試件長度取為150 mm。M27高強(qiáng)度螺栓在有限元分析中假定為無螺紋，螺栓未加預(yù)拉力因而孔壁直接承壓傳力。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可知，螺栓桿完全避免了剪切破壞和彎曲破壞，因而分析中假定其為線彈性。網(wǎng)格劃分質(zhì)量會(huì)很大程度上影響模擬精度。鋼板被分成2個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分：螺栓孔附近和其余位置。孔壁附近的網(wǎng)格密度需要根據(jù)應(yīng)力集中程度做出局部調(diào)整，以避免剪鎖效應(yīng)的發(fā)生，此外螺栓中心還開了直徑的圓孔以便于網(wǎng)格劃分。
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