考虑螺栓应变硬化效应的延性端板连接组件转动刚度计算方法

《Eng》：Coupling of Characteristic Particle Size of Rock and Soil Mass with Slurry Diffusion Path: Penetration Grouting Mechanism of Bingham Cement Grout Jiaxuan Lu and Zhiquan Yang

　　

研究人员提出了一种考虑高强度螺栓应变硬化效应的延性端板连接组件转动刚度计算方法。该方法基于GB 50017规范对10.9级高强度螺栓屈服强度的定义，将屈服强度对应残余应变0.2%的条件纳入应变计算模型。通过引入螺栓组荷载传递模型，建立了由螺栓伸长引起的梁端端板转角与螺栓应力之间的解析关系，其中螺栓最大拉应力达到βFyb，预拉力取ρFyb，Fyb为螺栓屈服强度，εyb为螺栓屈服应变。研究表明，在梁端塑性铰弯矩Mh作用下，螺栓剪应力fv可由剪力Vh除以螺栓总有效截面积NbAnb确定，且满足强度条件(fb/Fyb)2+(fv/Fvb)2≤1.0，其中fb为螺栓拉应力，Fvb为螺栓抗剪强度。同时，螺栓应变硬化系数η=√(1-(fv/Fvb)2)限制了β≤η。最终，梁端转角θ由ΔLb/h1给出，ΔLb为螺栓伸长量，满足ΔLb≈Lb(β-ρ)εyb≥0。该方法可更准确地预测延性端板连接在地震作用下的转动性能。

该研究针对钢结构延性端板连接在抗震设计中对螺栓应变硬化效应考虑不足的问题展开。现有规范在计算连接转动刚度时，常忽略高强度螺栓屈服后的应变硬化行为，导致对结构抗震性能的评估偏于保守或不准确。为此，研究人员以10.9级高强度螺栓为研究对象，结合GB 50017规范中屈服强度对应0.2%残余应变的定义，开展了螺栓应变硬化对连接转动刚度影响的理论研究。研究通过建立螺栓组荷载传递模型，推导了考虑螺栓预拉力、应变硬化及剪切作用的解析公式，明确了梁端塑性铰形成时螺栓应力与端板转角的定量关系。结果表明，所提方法能更精确地反映螺栓在拉剪复合作用下的力学行为，对提升钢结构抗震设计的准确性具有重要意义。该成果发表于《Eng》。

研究人员采用的关键技术方法包括：基于GB 50017规范的10.9级高强度螺栓力学性能参数定义；建立螺栓组荷载传递模型以模拟梁端弯矩与剪力的分配机制；推导拉剪复合作用下螺栓强度条件及应变硬化系数η的解析表达式；结合预拉力与屈服后应变关系，建立螺栓伸长量与端板转角的几何协调方程。

研究结果分为以下几个部分：

螺栓强度条件：研究人员推导出拉剪复合作用下高强度螺栓的强度准则(f_b/F_yb)²+(f_v/F_vb)²≤1.0，其中F_yb为螺栓屈服强度，F_vb为螺栓抗剪强度，f_b和f_v分别为螺栓拉应力和剪应力。

螺栓剪应力计算：在梁端塑性铰弯矩M_h作用下，剪力V_h=2M_h/L_n由所有螺栓共同承担，剪应力f_v=V_h/(N_bA_nb)，其中L_n为梁净跨，N_b为螺栓数量，A_nb为单栓有效截面积。

应变硬化系数：引入η=√(1-(f_v/F_vb)²)表征螺栓应变硬化程度，限制最大拉应力系数β≤η，确保螺栓处于屈服后强化阶段。

螺栓伸长与端板转角：螺栓伸长量ΔL_b≈L_b(β-ρ)ε_yb，其中L_b为螺栓长度，ρ为预拉力系数，ε_yb=0.002+F_yb/E_b为屈服应变，E_b为螺栓弹性模量。端板转角θ=ΔL_b/h₁，h₁为螺栓至旋转中心距离。

讨论部分指出，传统方法忽略应变硬化会低估连接转动刚度，尤其在梁端形成塑性铰后误差显著。研究结论表明，所提模型通过解析方法量化了螺栓应变硬化对转动刚度的贡献，为钢结构抗震设计提供了更精确的计算依据。该方法可直接应用于延性端板连接的抗震性能评估，提升结构在地震作用下的安全性与经济性。