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高強度(Q460級或更高強度)鋼材已在實際工程中得到了逐步推廣和應(yīng)用。與普通強度鋼材相比，高強度鋼材屈服強度和抗拉強度有明顯提高，但是塑性變形能力卻下降，因而需要對高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)受力性能展開試驗研究和理論分析。之前進行了9組Q460等級高強度鋼材螺栓抗剪連接試驗，試驗結(jié)果表明，高強度鋼材孔壁承壓性能與普通強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)范困也未給出高強度鋼材鋼板承壓強度設(shè)計值。因而建立能夠準確模擬高強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體模型進行材料、幾何、接觸非線性分析。研究中運用通用有限元程序ANSYS建立有限元模型，對之前進行的9組Q460等級高強度鋼材螺栓抗剪連接試驗進行了有限元分析，詳細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。通過將有限元計算結(jié)果與相應(yīng)的試驗結(jié)果進行比較，驗證了有限元模型的準確性。
對應(yīng)2種厚度的Q460中國產(chǎn)高強度結(jié)構(gòu)鋼，共進行了6組材性試驗。可以發(fā)現(xiàn)，鋼材強度提高的同時，塑性變形能力也有所下降。通過材性試驗的荷載-位移曲線轉(zhuǎn)化得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系無法準確表示材料真實的力學(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嚴重影響真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測定。
試驗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。試驗主要有以下幾個參數(shù)，通過改變各參數(shù)取值，得到不同的破壞模式。
試驗采用液壓萬能試驗機對試件進行豎向拉伸，試件的兩端經(jīng)過滾花處理以增大試驗機夾頭夾持力，保證在加載過程中不會出現(xiàn)松動。在節(jié)點區(qū)兩側(cè)各布置1個位移計，量測結(jié)果的平均值作為節(jié)點區(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，進行材料、幾何、接觸非線性分析，模擬高強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。
鋼板和高強度螺栓采用單元進行網(wǎng)格劃分。單元能夠容忍形狀畸變，而不會對計算精度造成很大影響。這種單元特別適合曲邊模型，有20個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度，二方向轉(zhuǎn)動，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和目標單元Targe170一起組成接觸對，模擬接觸而的擠壓、滑動等力學(xué)行為。此類單元可以覆蓋于實體單元或殼單元上，無需重新定義節(jié)點。
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。
接觸分析會耗費最大的計算資源，因而有必要在計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)量會很大程度上影響模擬精度。鋼板被分成2個部分進行網(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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