CN110705144B - 一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法 - Google Patents

一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法，采用如下步骤：以夹板布齿率为参数设计一组受弯构件；利用有限元软件ABAQUS进行弹塑性受力分析并拟合出构件极限弯矩计算公式；绘制各构件的初始刚度以及极限弯矩随布齿率的变化曲线；根据曲线的临界点确定最优布齿率。在木结构螺栓连接中，可以通过在钢夹板上布设钢齿以提高节点的初始刚度和承载力，而在实际应用中，缺乏理论依据，钢齿的布置仅按照经验来确定，本发明针对钢齿布置技术研究的不完善，提供了一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法，通过在钢夹板上合理布置钢齿，既能最大限度地提高了节点的初始刚度和极限承载力，又便于构件的加工，具有较好的经济性。

Description

一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法
技术领域
本发明涉及木结构节点设计领域，具体涉及一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法。
背景技术
随着绿色节能建筑的发展以及政策的鼓励，木结构在我国逐步得到发展。在木结构螺栓连接中，螺栓孔附近木材应力状态复杂，节点处木材易发生开裂从而导致节点承载力下降，同时木结构螺栓孔与螺栓之间存在初始间隙，影响节点刚度。
目前针对上述问题可通过在钢夹板上布设钢齿来提高节点的初始刚度和承载力，而在该类节点的设计中，缺乏理论依据，仅按照经验在钢夹板上布设钢齿，并且尚无对于钢齿布置数量对节点力学性能影响的研究。
发明内容
本发明针对螺栓与齿联合传力钢木节点钢齿布置技术研究的不完善，提供了一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法。
为实现上述目的，本发明包括以下步骤：
第一步：以布齿率为变量，其他参数保持不变，设计一组螺栓与齿联合传力钢木节点受弯构件，其中，布齿率为钢齿总截面面积与钢夹板腹板与木梁接触面的面积之比；
第二步：通过有限元软件ABAQUS建立有限元模型，所有单元均为C3D8R，模型中对各接触对的法向和切向关系进行定义来模拟各部件之间的相互作用，法向作用为硬接触，切向作用为库伦摩擦；
第三步：通过受力分析得到钢木节点受弯构件的弯矩-转角曲线，由曲线求得各个钢木节点受弯构件的极限弯矩M；
第四步：根据极限弯矩10％的弯矩值、40％的弯矩值与对应的转角，利用公式(1)计算节点的初始刚度k：
Figure GDA0003967077760000011
式中M40％为极限弯矩40％的弯矩值，M10％为极限弯矩10％的弯矩值，θ40％为M40％对应的转角，θ10％为M10％对应的转角；
第五步：计算带齿节点与不带齿节点初始刚度的比值Rk，并绘制Rk与布齿率的关系曲线；
第六步：拟合出木构件破坏时螺栓与齿联合传力钢木节点极限弯矩M计算公式(2)-公式(5)：
fcbh＝2(nZb+ntγZt) (2)
Mw＝2(nZb+ntγZt)e (3)
Zb＝kclsdfem (4)
Zt＝ltdtfem (5)
式中Zt为钢齿单个受剪面承载力；Zb为螺栓单个剪面受剪承载力；fc为胶合木顺纹抗压强度；b为木构件宽度；h为木构件端面等效受压区高度；n为受拉侧螺栓个数；e为下部螺栓合力作用线到受压区截面中心的距离；kc为胶合木构件内螺栓孔承压应力分布情况的有效折减系数，取0.45；ls为销槽承压面长度；d为螺栓直径；fem为胶合木销槽承压强度；γ为钢齿受力调整系数，取0.35；nt为夹板钢齿数量，当γ×nt>7时取γ×nt＝7；lt为钢齿嵌入深度； dt为钢齿直径；
第七步：计算带齿节点与不带齿节点极限弯矩的比值RM，并绘制RM与布齿率的关系曲线；
第八步：根据第五步和第七步所得曲线的临界点确定最优布齿率。
本发明所涉及到的最优布齿率的确定方法：钢齿应均匀分布于钢夹板上，钢齿的布置端距、边距、行距及中距的最小值分别取：7d、4d、5d及4d，其中d为钢齿直径，钢齿直径取3-6mm。
本发明的有益效果：在螺栓与齿共同传力钢木节点在受力过程中，布齿率较小时钢齿对节点力学性能的提升较小，当布齿率较大时又对构件的加工带来不便，合理的布齿率可以有效提高节点的初始刚度与极限承载力，且具有较好的经济性。
附图说明
图1为螺栓与齿共同传力钢木节点连接构造示意图；
图2为钢木节点受弯构件尺寸图；
图3为图2中A-A剖面图；
图4为试件ST1～试件ST5钢夹板布齿情况示意图；
图5为试件ST1～试件ST5钢夹板剖面图；
图6为Rk与布齿率的关系曲线；
图7为RM与布齿率的关系曲线；
具体实施方式
下面结合附图，对螺栓与齿联合传力钢木节点受弯构件的实例对本发明做进一步说明。
实施例
第一步：对螺栓与齿联合传力钢木节点进行受弯加载，节点连接构造见图1，节点尺寸见图2、图3，该节点由胶合木构件1、钢夹板2和螺栓3构成，设计五个以钢夹板2布齿率为变量，见图4、图5，这五个试件的钢夹板2布齿率分别为0％、0.28％、0.46％、0.65％和0.80％，钢齿直径为4.5mm，钢齿嵌入深度为5.6mm，木构件为花旗松层板胶合木，该组试件的具体参数见表1；
第二步：通过有限元软件ABAQUS建立有限元模型，所有单元均为C3D8R，模型中对各接触对的法向和切向关系进行定义来模拟各部件之间的相互作用，法向作用为硬接触，切向作用为库伦摩擦；
第三步：通过受力分析得到钢木节点受弯构件的弯矩-转角曲线，由曲线可得钢木节点受弯构件的极限弯矩M，如表1所示；
第四步：根据极限弯矩10％的弯矩值、40％的弯矩值与对应的转角，利用公式(1)计算节点的初始刚度k，如表1所示；
第五步：计算带齿节点与不带齿节点初始刚度的比值Rk，如表1所示，并绘制Rk与布齿率的关系曲线，由图6可见，当钢夹板2布齿率增加到0.65％以后，对节点初始刚度的提升不再明显；
第六步：由公式(2)-公式(5)计算螺栓与齿联合传力钢木节点的极限弯矩M，如表1所示；
第七步：对比第三步有限元模拟以及第六步计算所得节点的极限弯矩可知，通过公式(2)-公式(5)可以较准确的计算节点的极限弯矩；
根据第六步的计算结果计算带齿节点与不带齿节点极限弯矩的比值RM，并绘制RM与布齿率的关系曲线，由图7可见，当钢夹板2布齿率增加到0.65％以后，对节点极限弯矩的提升不再明显；
第八步：根据第五步和第七步的计算结果可知，布齿率取0.65％。
表1试件的具体参数与计算结果
Figure GDA0003967077760000041
其中，布齿率为钢齿总截面面积与钢夹板2腹板与木构件1接触面的面积之比，钢齿均匀分布于钢夹板2上，各试件中钢齿的布置端距、边距、行距及中距的最小值为40mm。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：以布齿率为变量，其他参数保持不变，设计一组螺栓与齿联合传力钢木节点受弯构件，其中，布齿率为钢齿总截面面积与钢夹板腹板与木梁接触面的面积之比；
第二步：通过有限元软件ABAQUS建立有限元模型，所有单元均为C3D8R，模型中对各接触对的法向和切向关系进行定义来模拟各部件之间的相互作用，法向作用为硬接触，切向作用为库伦摩擦；
第三步：通过受力分析得到钢木节点受弯构件的弯矩-转角曲线，由曲线求得钢木节点受弯构件的极限弯矩M；
第四步：根据极限弯矩10％的弯矩值、40％的弯矩值与对应的转角，利用公式(1)计算节点的初始刚度k：
Figure FDA0003967077750000011
式中M40％为极限弯矩40％的弯矩值，M10％为极限弯矩10％的弯矩值，θ40％为M40％对应的转角，θ10％为M10％对应的转角；
第五步：计算带齿节点与不带齿节点初始刚度的比值Rk，并绘制Rk与布齿率的关系曲线；
第六步：拟合出木构件破坏时螺栓与齿联合传力钢木节点极限弯矩M的计算公式(2)-公式(5)：
fcbh＝2(nZb+ntγZt) (2)
Mw＝2(nZb+ntγZt)e (3)
Zb＝kclsdfem (4)
Zt＝ltdtfem (5)
式中Zt为钢齿单个受剪面承载力；Zb为螺栓单个剪面受剪承载力；fc为胶合木顺纹抗压强度；b为木构件宽度；h为木构件端面等效受压区高度；n为受拉侧螺栓个数；e为下部螺栓合力作用线到受压区截面中心的距离；kc为胶合木构件内螺栓孔承压应力分布情况的有效折减系数，取0.45；ls为销槽承压面长度；d为螺栓直径；fem为胶合木销槽承压强度；γ为钢齿受力调整系数，取0.35；nt为夹板钢齿数量，当γ×nt>7时取γ×nt＝7；lt为钢齿嵌入深度；dt为钢齿直径；
第七步：计算带齿节点与不带齿节点极限弯矩的比值RM，并绘制RM与布齿率的关系曲线；
第八步：根据第五步和第七步所得曲线的临界点确定最优布齿率。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓与齿联合传力钢木节点最优布齿率的确定方法，其特征在于，钢齿均匀分布于钢夹板上，钢齿的布置端距、边距、行距及中距的最小值应分别取：7dt、4dt、5dt及4dt，其中dt为钢齿直径，钢齿直径取3-6mm。
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