摩擦型高强螺栓长连接接触分析

    摩擦型高强螺栓是钢结构中常用的螺栓连接形式。在设计中认为钢板之间的拉力完全通过钢板之间的接触摩擦力传递，不考虑螺杆受剪或受弯，为此，需要在螺栓上施加一定水平的预拉力。对于采用多排螺栓传递拉力的钢板搭接连接，当螺栓排数较多时，螺栓传力的不平衡性已经得到实验验证，但涉及接触问题的数值计算分析目前尚不多见，本文尝试通过COSMOS有限元软件分析拉力在钢板之间的传递规律，希望能对工程应用有所帮助。

    二、单螺栓接触分析

    图1为摩擦型高强螺栓连接搭接钢板模型，图2为钢板螺栓连接模型的网格划分。对于只有一个螺栓的模型，材料实体部分采用10节点四面体单元，接触单元可采用节点对形式也可以采用点面模型单元。整个模型的单元总数为9561，节点总数为14593。螺栓预拉力155kN，板轴向拉力假定沿一侧板端面均匀分布，针对荷载水平较高的情况进行计算，得到板端极限拉应力0.44 MPa。图3,图4显示了模型的Von Mises应力、位移的分布情况，从图中可以看出，对整块钢板而言，只在垫圈及其相邻区域很小的范围内的应力较大，应力水平随与垫圈和螺栓孔距离增大迅速减小并保持相对稳定的应力水平，这正体现了接触现象的高度局部应力性。图5为法向接触力在接触面上的分布情况，从图中可以看出、法向接触力主要在垫圈区域的钢板接触面上较高，法向接触力随与垫圈区域距离增大迅速减小;手保持相对稳定的数值。图6为摩擦力在接触面上的分布情况，从图中可以看出.摩擦力水平同样主要在垫圈区域的钢板接触面上较高，并集中分布在沿轴线方向(即拉力方向)栓孔一侧，摩擦力随与栓孔距离增大迅速减小并保持相对稳定的数值。

    三、螺栓群(5x2)的接触分析

    如图7为钢板螺栓连接模型的网格划分形式。螺栓形式为5x2，即沿拉力方向5排，垂直拉力方向2列。材料实体部分采用4节点四面体单元，接触单元可采用节点对形式。在螺栓洞Ca区域细化了网格，整个模型的单元总数为18 569，节点总数为5 461。螺栓预拉力155 kN，板轴向拉力假定沿一侧板端面均匀分布，针对荷载水平较高的情况进行了计算，得到板端极限拉应力87.5 MPa。

    图8为法向接触力在接触面上的分布情况，从图中可以看出，法向接触力主要在垫圈区域的钢板接触面上较高，法向接触力随与垫圈区域距离增大迅速减小并保持相对稳定的数值。图9为摩擦力在接触面上的分布情况，从图中可以看出，摩擦力水平同样主要在垫圈区域的钢板接触面上较高，并集中分布在洽拉力方向栓孔一侧，摩擦力随与垫圈区域距离增大迅速减小并保持相对稳定的数值。