吳瓊堯，王化杰, ，錢宏亮, ，韓 康，范 峰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)土木工程系，山東 威海 264209；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

擰入缺陷對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)受力性能影響

吳瓊堯1，王化杰1,2，錢宏亮1,2，韓 康1，范 峰2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)土木工程系，山東 威海 264209；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

螺栓球節(jié)點(diǎn)在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，然而由于其組成構(gòu)件較多，在安裝過程中容易出現(xiàn)高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足的初始缺陷.為研究該缺陷對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，采用ANSYS軟件建立了帶有螺紋的螺栓球節(jié)點(diǎn)精細(xì)化模型，通過改變螺紋的嚙合數(shù)來模擬高強(qiáng)螺栓的擰入長(zhǎng)度，并利用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上，對(duì)M20、M24、M27三種常用節(jié)點(diǎn)在不同擰入長(zhǎng)度下的抗彎性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明螺栓球節(jié)點(diǎn)隨著擰入長(zhǎng)度的變化主要存在三種工作及破壞模式，高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足可嚴(yán)重降低節(jié)點(diǎn)剛度及其極限承載力.最后對(duì)上述三種節(jié)點(diǎn)在不同擰入長(zhǎng)度下的抗拉性能進(jìn)行模擬分析，得到了不同擰入長(zhǎng)度下螺栓球節(jié)點(diǎn)抗拉承載力的退化規(guī)律及可能的破壞模式，給出了抗拉承載力降低比例與螺栓擰入長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，研究成果可為螺栓球節(jié)點(diǎn)的施工控制及相似結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)估提供技術(shù)參考.

螺栓球節(jié)點(diǎn)；擰入缺陷；螺紋；彎曲剛度；數(shù)值模擬

螺栓球節(jié)點(diǎn)是一種常用的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式，其工廠化生產(chǎn)、安裝速度快等特點(diǎn)符合裝配式建筑的要求，在工程設(shè)計(jì)與施工中得到了廣泛的應(yīng)用.但是由于螺栓球節(jié)點(diǎn)的組成構(gòu)件較多，在實(shí)際安裝中容易存在諸多施工缺陷，如高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足、桿件初始彎曲等[1].其中高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足是一種較為常見的施工缺陷，規(guī)范《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中要求高強(qiáng)螺栓的擰入長(zhǎng)度在1.1倍螺栓直徑左右，實(shí)際工程中由于構(gòu)件質(zhì)量和安裝缺陷等原因常常不能滿足規(guī)范要求的擰入長(zhǎng)度，因此造成的工程事故不在少數(shù).1995年天津某地毯廠網(wǎng)架發(fā)生坍塌，對(duì)事故原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)部分高強(qiáng)螺栓的擰入長(zhǎng)度不足，導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓發(fā)生螺紋破壞而從螺栓球中拔出[3].2005年內(nèi)蒙古某公司發(fā)電廠汽機(jī)間網(wǎng)架在施工過程中未按要求架設(shè)臨時(shí)支撐，使網(wǎng)架產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓與螺栓孔對(duì)接偏差較大，高強(qiáng)螺栓存在假擰緊情況，因此造成坍塌事故[4].可見，高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)的受力性能影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成嚴(yán)重的影響.以往的研究主要關(guān)注螺栓球節(jié)點(diǎn)的半剛性[5-6]及其在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的適用性[7-8]，對(duì)高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足下的節(jié)點(diǎn)受力性能研究較少.在數(shù)值模擬方面，Chenaghlou等[9]曾建立了螺栓球節(jié)點(diǎn)有限元分析模型，但對(duì)節(jié)點(diǎn)的螺紋部分未做精細(xì)化建模，在螺紋傳力上與實(shí)際情況有一定差距.因此，有必要建立帶有螺紋的螺栓球節(jié)點(diǎn)精細(xì)化模型來研究高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響.

本文首先建立帶有螺紋的螺栓球節(jié)點(diǎn)精細(xì)化有限元模型，對(duì)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證模擬方法的準(zhǔn)確性.通過改變螺紋的嚙合數(shù)模擬高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足的施工缺陷，對(duì)M20、M24、M27三種高強(qiáng)螺栓規(guī)格對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能及其工作破壞機(jī)理進(jìn)行研究，給出高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能影響規(guī)律，為螺栓球節(jié)點(diǎn)的施工控制及相似結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)估提供技術(shù)參考.

1 節(jié)點(diǎn)精細(xì)化模擬方法及分析方案

1.1 模型建立

節(jié)點(diǎn)模型基于ANSYS平臺(tái)建立，構(gòu)件材料按規(guī)范《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓》[10]要求選取，螺栓球采用45號(hào)圓鋼，高強(qiáng)螺栓采用40Cr，套筒、錐頭、鋼管采用 Q235鋼，具體材料參數(shù)見表1，本構(gòu)關(guān)系采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型.由于螺紋破壞主要為剪切變形且變形較大，故采用3D8節(jié)點(diǎn)SOLID185單元來模擬各構(gòu)件.

表1 材料參數(shù)

為真實(shí)模擬節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件之間受力，防止模型因?yàn)榇笞冃味l(fā)生單元滲透，本文選取ANSYS中提供的面-面接觸單元CONTA174和 TARGE170來模擬接觸面和目標(biāo)面.接觸面設(shè)置見圖1，具體接觸對(duì)設(shè)置見表2.通過改變接觸單元實(shí)常數(shù)來調(diào)整接觸剛度，減小滲透.例如：通過增大法向接觸剛度系數(shù)FKN來提高接觸剛度，從而保證計(jì)算的速度和精確性.

本文按照規(guī)范《普通螺紋基本尺寸》[11]規(guī)定的螺紋尺寸對(duì)高強(qiáng)螺栓的螺紋進(jìn)行精細(xì)化建模見圖2，具體尺寸見表3,最終節(jié)點(diǎn)精細(xì)化模型見圖3.

圖1 螺栓球節(jié)點(diǎn)接觸設(shè)置

編號(hào)接觸位置接觸面CONTA174目標(biāo)面TARGE1701螺紋嚙合螺栓螺紋球體螺紋2球體與套筒套筒球體3套筒與錐頭套筒錐頭4螺栓與套筒、錐頭栓桿套筒、錐頭5錐頭與螺栓螺帽螺帽錐頭

圖2 螺紋圖示

mm

圖3 有限元模型

1.2 模擬方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，采用上述精細(xì)化模擬方法對(duì)文獻(xiàn)[12]試驗(yàn)進(jìn)行分析.以M24螺栓球節(jié)點(diǎn)為例，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖4.模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，由于可以真實(shí)地考慮高強(qiáng)螺栓和螺栓球之間的螺紋嚙合傳力，本文模型的模擬結(jié)果更加貼近試驗(yàn)，能夠更好地模擬節(jié)點(diǎn)的受力性能.

1.3 方案分析

為研究高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎性能及抗拉性能的影響，本文對(duì)工程中常用的M20、M24、M27三種高強(qiáng)螺栓規(guī)格對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，構(gòu)件示意見圖5，具體尺寸見表4.為方便表述，后文對(duì)不同擰入長(zhǎng)度分析模型的命名方式為：M高強(qiáng)螺栓直徑-擰入螺紋數(shù)，如M20-9表示M20節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓擰入9個(gè)螺紋.具體分析方案見表5.

圖4 M24節(jié)點(diǎn)模擬與文獻(xiàn)試驗(yàn)比對(duì)

圖5 節(jié)點(diǎn)構(gòu)件尺寸示意

Tab.4 Joints sizes mm

表5 分析方案

2 抗彎性能分析

作為典型的半剛性節(jié)點(diǎn)，螺栓球節(jié)點(diǎn)的抗彎能力已在實(shí)際工程中得以應(yīng)用[13].而高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎性能的影響不可忽視，因此，以下將對(duì)高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足時(shí)的螺栓球節(jié)點(diǎn)抗彎性能進(jìn)行分析，分析模型見圖6.

2.1 工作機(jī)理及破壞模式

以M20節(jié)點(diǎn)為例，通過分析發(fā)現(xiàn)，由于高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度的不同，螺栓球節(jié)點(diǎn)在彎矩作用下存在三種工作及破壞模式.

第一種為高強(qiáng)螺栓擰滿時(shí)(M20-9)，其工作機(jī)理見圖7.初始階段套筒與球體、錐頭之間閉合無空隙見圖7(a).在彎矩作用下節(jié)點(diǎn)由套筒和高強(qiáng)螺栓協(xié)同抵抗彎矩.極限狀態(tài)時(shí)各構(gòu)件變形及應(yīng)力水平見圖7(b)，提取節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)域分布圖見圖7(c)，由圖可知，高強(qiáng)螺栓和套筒大面積進(jìn)入塑性，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為高強(qiáng)螺栓的彎曲破壞和套筒的受壓破壞，節(jié)點(diǎn)變形較小.

圖6 有限元模型

第二種為高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度輕度不足時(shí)(M20-8)，其工作機(jī)理見圖8.初始階段套筒與球體、錐頭并無接觸件圖8(a)，高強(qiáng)螺栓單獨(dú)抵抗彎矩.當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角達(dá)到一定程度，套筒與球體、錐頭發(fā)生接觸，高強(qiáng)螺栓與套筒協(xié)同工作抵抗彎矩，此時(shí)高強(qiáng)螺栓應(yīng)力較大，套筒應(yīng)力較小.極限狀態(tài)時(shí)各構(gòu)件變形及應(yīng)力水平見圖8(b)，提取節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)域分布見圖8(c)，高強(qiáng)螺栓大面積進(jìn)入塑性，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為高強(qiáng)螺栓的彎曲破壞，節(jié)點(diǎn)變形相對(duì)較大.

第三種為高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度嚴(yán)重不足時(shí)(M20-7)，其工作機(jī)理見圖9.由于高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度嚴(yán)重不足見圖9(a)，套筒與球體之間間隙較大.隨著彎矩的增大，直至節(jié)點(diǎn)破壞，套筒亦無法與球體發(fā)生接觸，全程由高強(qiáng)螺栓自身抵抗彎矩.極限狀態(tài)時(shí)各構(gòu)件變形及應(yīng)力水平見圖9(b)，提取節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)域分布圖見圖9(c)，由圖可知，高強(qiáng)螺栓大面積進(jìn)入塑性，最終表現(xiàn)為高強(qiáng)螺栓的彎曲破壞，節(jié)點(diǎn)變形最大.

圖7 M20-9節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理示意

圖8 M20-8節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理示意

圖9 M20-7節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理示意

2.2 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

繪制節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線見圖10，可以看出，與其工作模式對(duì)應(yīng)，隨著擰入長(zhǎng)度的不同螺栓球節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線分三種形式.第一種模式為高強(qiáng)螺栓擰滿時(shí)，由于套筒與高強(qiáng)螺栓全程協(xié)同抵抗彎矩，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大，其極限承載力最高；第二種模式為擰入長(zhǎng)度輕度不足時(shí)，高強(qiáng)螺栓首先承受大部分彎矩，節(jié)點(diǎn)初始剛度下降.當(dāng)高強(qiáng)螺栓轉(zhuǎn)角達(dá)到一定程度時(shí)，套筒與球體、錐頭發(fā)生接觸，套筒與高強(qiáng)螺栓協(xié)同抵抗彎矩，節(jié)點(diǎn)剛度有一定提升，故彎矩-轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)明顯提升，其承載力相較于第一種模式有所降低；第三種模式為擰入長(zhǎng)度嚴(yán)重不足時(shí)，由于初始間隙較大，套筒全程未與球體、錐頭發(fā)生接觸，由高強(qiáng)螺栓自身抵抗彎矩，節(jié)點(diǎn)初始剛度降低明顯，極限承載力最低.且分析可知，M20、M24節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)上述三種模式，而M27節(jié)點(diǎn)只出現(xiàn)第一種及第三種模式，即螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)時(shí)，M27承載力及剛度下降明顯，其抗彎性能對(duì)擰入誤差更為敏感.

圖10 高強(qiáng)螺栓不同擰入長(zhǎng)度下彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

[14]，本文取彈性階段彎矩與轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系的切線斜率為初始剛度Ki，節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的彎矩為極限彎矩Mu.三種節(jié)點(diǎn)在不同擰入長(zhǎng)度下的初始剛度和極限彎矩見表6.可以看出，當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)時(shí)，M20、M24節(jié)點(diǎn)極限彎矩下降20%左右，M27節(jié)點(diǎn)極限彎矩下降50%左右.當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1以上時(shí)，三種節(jié)點(diǎn)極限彎矩下降較大，均在50%左右.

表6 螺栓球節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線參數(shù)分析

3 抗拉性能分析

對(duì)于螺栓球節(jié)點(diǎn)來說，節(jié)點(diǎn)受壓時(shí)主要靠套筒受力，高強(qiáng)螺栓不受力.節(jié)點(diǎn)受拉時(shí)主要靠高強(qiáng)螺栓與球體嚙合部分受力，因此高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗拉性能產(chǎn)生較大影響[15].以下將對(duì)高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足時(shí)節(jié)點(diǎn)抗拉性能分析，分析模型見圖11.

圖11 有限元模型

3.1 工作機(jī)理及破壞模式

限于篇幅，本文以M20節(jié)點(diǎn)為例，通過分析發(fā)現(xiàn)，由于高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度的不同，螺栓球節(jié)點(diǎn)在拉力作用下存在兩種工作及破壞模式.

第一種為高強(qiáng)螺栓擰滿或輕微不足時(shí)的栓桿拉斷破壞，以M20-9節(jié)點(diǎn)為代表.圖12(a)、(b)為M20-9節(jié)點(diǎn)極限狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，可以看出，高強(qiáng)螺栓的栓桿區(qū)域完全進(jìn)入極限狀態(tài)，其他部分只有局部點(diǎn)應(yīng)力較高，均未進(jìn)入極限狀態(tài).節(jié)點(diǎn)破壞形式表現(xiàn)為高強(qiáng)螺栓的栓桿拉斷破壞，為延性破壞，極限荷載為277.32 kN.

第二種為高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度嚴(yán)重不足時(shí)的栓桿拔出破壞，以M20-5節(jié)點(diǎn)為代表.圖13(a)、(b)為M20-5節(jié)點(diǎn)極限狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，可以看出，隨著嚙合數(shù)的減少，各螺紋受力提升較多，最大應(yīng)力出現(xiàn)在高強(qiáng)螺栓螺紋部分，其余構(gòu)件均未達(dá)到極限狀態(tài)，這與文獻(xiàn)[16-17]中規(guī)律相同.節(jié)點(diǎn)破壞形式為高強(qiáng)螺栓螺紋失效的栓桿拔出破壞，為脆性破壞，極限承載力降低明顯，極限荷載為158.13 kN.

圖12 M20-9節(jié)點(diǎn)模擬云圖

圖13 M20-5節(jié)點(diǎn)模擬云圖

提取三種節(jié)點(diǎn)抗拉承載力見表7，可知三種節(jié)點(diǎn)在螺紋嚙合數(shù)減少的情況下承載力的發(fā)展規(guī)律相似，當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)時(shí)節(jié)點(diǎn)仍發(fā)生高強(qiáng)螺栓的栓桿拉斷破壞.當(dāng)螺紋嚙合減少2個(gè)以上時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生高強(qiáng)螺栓螺紋失效的栓桿拔出破壞.

3.2 荷載-位移曲線

繪制荷載-位移曲線見圖14，隨著高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度的減少，節(jié)點(diǎn)的極限荷載下降明顯，節(jié)點(diǎn)由延性破壞變成螺紋失效的脆性破壞.施工中應(yīng)嚴(yán)格控制高強(qiáng)螺栓擰入螺紋個(gè)數(shù)，避免脆性破壞的發(fā)生.

表7 螺栓球節(jié)點(diǎn)抗拉承載力分析

圖14 高強(qiáng)螺栓不同擰入長(zhǎng)度下位移-荷載曲線

Fig.14 Displacement-load curves of high-strength bolts under different inserted depth

3.3 抗拉承載力與高強(qiáng)螺栓擰入比例關(guān)系曲線

為了更好描述螺栓球節(jié)點(diǎn)抗拉承載力隨擰入比例的變化規(guī)律，采用線性擬合的方式對(duì)承載力與擰入比例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其擬合公式為

y=ax+b.

式中：y表示擰入長(zhǎng)度不足時(shí)螺紋承載力與初始承載力的比值，%；x表示擰入比例，%；a、b為擬合常數(shù).圖15為高強(qiáng)螺栓擰入比例與抗拉承載力之間的線性擬合圖,相關(guān)擬合公式的參數(shù)值a=-101.285,b=91.679.

圖15 高強(qiáng)螺栓擰入比例與抗拉承載力關(guān)系曲線

Fig.15 Relation curve of high-strength bolts’ inserted proportion and tensile bearing capacity

4 結(jié) 論

為掌握高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)受力性能的影響規(guī)律，本文對(duì)常用螺栓球節(jié)點(diǎn)不同擰入長(zhǎng)度下的力學(xué)性能進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

1)建立了帶有螺紋的螺栓球節(jié)點(diǎn)精細(xì)化模型，并采用精細(xì)化模型對(duì)已有試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析.結(jié)果表明，本文模型可以真實(shí)的考慮高強(qiáng)螺栓和螺栓球之間的螺紋嚙合傳力，能夠更好地模擬節(jié)點(diǎn)的受力性能，驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性.

2)通過模擬發(fā)現(xiàn)，隨著高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度的改變，節(jié)點(diǎn)在彎矩作用下主要存在三種工作及破壞模式，與之對(duì)應(yīng)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線也存在三種狀態(tài).當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)時(shí)，M20、M24節(jié)點(diǎn)極限彎矩下降在20%左右，M27節(jié)點(diǎn)極限彎矩下降在50%左右，即螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)時(shí)，M27節(jié)點(diǎn)承載力及剛度下降更加明顯，其抗彎性能對(duì)擰入誤差更為敏感；當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)以上時(shí)，三種節(jié)點(diǎn)極限彎矩下降較大，均在50%左右.高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足嚴(yán)重降低節(jié)點(diǎn)剛度及其極限承載力.

3)對(duì)高強(qiáng)螺栓擰入長(zhǎng)度不足下螺栓球節(jié)點(diǎn)受拉性能的分析表明，節(jié)點(diǎn)主要存在兩種工作及破壞模式，當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)以內(nèi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生高強(qiáng)螺栓栓桿拉斷的延性破壞；當(dāng)螺紋嚙合數(shù)減少1個(gè)以上時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生螺紋失效的脆性破壞.最后，通過線性擬合給出了螺栓球節(jié)點(diǎn)抗拉承載力降低比例與高強(qiáng)螺栓擰入比例的關(guān)系曲線，可為螺栓球節(jié)點(diǎn)擰入長(zhǎng)度不足下的承載力快速評(píng)估與施工控制提供參考.

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(編輯趙麗瑩)

Studyoninfluencecausedbybolt-connectiondefectonmechanicalpropertiesofbolt-balljoint

WU Qiongyao1, WANG Huajie1,2, QIAN Hongliang1,2, HAN Kang1, FAN Feng2

(1.Department of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, Shandong, China; 2.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The bolt-ball joint, which have wide application in spatial lattice structure, have too many components, so the initial defect may be caused by the screw length insufficiency of the high-strength bolt during installation process. To study the effect of the defect on the mechanical properties of these joints, a sophisticated FEM simulation model of the bolt-ball joint with thread was calculated by ANSYS. The number of thread engagement was changed to simulate the screw length of high-strength bolt, and the simulation method was verified by existing experimental data. The flexural behavior of three common joints (M20, M24, M27) under different screw length was analyzed. The result shows that the bolt-ball joints mainly have three work and failure modes when the screw length is changed. The screw length insufficiency of the high-strength bolt significantly reduces stiffness and bearing capacity of the joint. The tensile property of three joints under different screw length was analyzed, and the deterioration law of the tensile bearing capacity and the possible failure modes were found. The curve which shows the relationship between the reduced proportion of the tensile bearing capacity and the screw length was given. This study can provide technical references for the construction control of the bolt-ball joint and the safety performance evaluation of the similar structure.

bolt-ball joint; bolt-connection defect; thread; bending stiffness; numerical simulation

10.11918/j.issn.0367-6234.201703115

TU393.3

A

0367-6234(2017)12-0053-07

2017-03-22

國家自然科學(xué)基金青年基金(51308154)；威海市科技發(fā)展計(jì)劃(2016DXGJMS03)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0802003)

吳瓊堯(1992—)，男，碩士；

錢宏亮(1977—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

王化杰，huajie_wang@hit.edu.cn