摘 要：隨著我國鋼結構建筑的興起，針對鋼結構分析的有限元模擬方法不斷發展和完善，針對民用高層鋼結構的有限元分析計算基本滿足。然而對于復雜的結構形式尤其是重型鋼結構中螺栓連接節點，尋常的分析方法及軟件可能達不到精細有限元分析的要求或者分析出的結果并不符合力學常識。本文從鋼結構螺栓連接節點的模擬方法、鋼結構螺栓連接節點中螺栓的模擬方法及性能、鋼結構螺栓連接節點的形式及性能等三方面研究探討了國內外現有研究的優缺點，為后來者研究這類復雜結構提供幫助。

　　關鍵詞：云南農業職稱論文,鋼結構,有限元方法,螺栓連接節點,螺栓模擬

　　1.引言

　　改革開放以來，隨著科學技術的發展，我國的鋼結構建設逐漸興起。尤其是沿海一帶經濟發達地區鋼結構發展更是迅猛先后建成了上海金茂大廈(88層、高365米)、環球金融中心(95層、高460米)、深圳地王大廈(384米)等超高層建筑[1]。我國鋼結構建設不僅在高層建筑中發展勢頭良好更是得到了工業建筑的“青睞”。鋼結構憑借著輕質高強、結構高效、建筑美觀等優點，使結構的適用性和美觀性充分的結合在一起，故而成為近幾年工業建筑首選的結構模式[2]。隨著鋼結構設計的發展為了優化結構設計，減少結構建造成本，確保結構的安全穩定，在工業建筑鋼結構尤其是重型鋼結構中需對結構進行有限元仿真模擬分析。

　　從所周知有限元模擬分析在鋼結構設計中運用廣泛，但對于復雜的結構形式尤其是重型鋼結構中螺栓連接節點，由于其連接位置內力較大，所需高強螺栓少則幾十多則數百，而螺栓群連接處兩塊被連接的板件和螺栓自身的內力都十分復雜。為揭示重型鋼結構中螺栓連接節點的受力性能，通常需要對這種復雜連接進行精細的有限元數值模擬分析。由于模型本身及其約束條件的復雜化，尋常的分析方法及軟件可能達不到精細有限元分析的要求或者分析出的結果并不符合力學常識。

　　本文針對這種情況，從鋼結構螺栓連接節點的模擬方法研究、鋼結構螺栓連接節點中螺栓的模擬方法及性能研究、鋼結構螺栓連接節點的形式及性能的研究，這三方面總結了國內外已做出的研究，希望對后來者研究這類復雜結構提供幫助。

　　2.螺栓連接節點的模擬方法研究及應用概況

　　實際工程中螺栓連接節點受力復雜，常常通過對節點所處位置、約束等限定進行定性的分析。即使如此，螺栓連接節點的受力依然很復雜。為了能夠合理的模擬螺栓連接節點預緊力、摩擦、滑移、接觸、線性和非線性等特性，國內外不少學者基于大量研究及試驗，不斷開發和創新了很多模擬方法。

　　學者Gray PJ及其合作者提出了一種螺栓連接的模擬方法[3]，首次利用殼單元來模擬兩塊被螺栓連接以及螺栓，并對其施加實際邊界條件。把通過這種方法建立的單個螺栓連接和多個螺栓連接的三維有限元模型與運用舊方法建立的有限元模型相對比，并和實驗進行驗證。對比證明這種新方法比用傳統方法對螺栓連接進行三維有限元模擬更強大、更準確，并且節省了計算時間但和試驗相比還是存在一定的誤差。這種方法的開發也為研究螺栓群節點連接的實用數值模擬方法提供了思路。學者Gang Shi，Yongjiu、Shi，Yuanqing等對如何運用ANSYS軟件模擬螺栓端板連接為主的鋼結構節點進行分析與研究，其中詳細介紹了如何施加螺栓預緊力并如何選定單元形式進行模型的網格劃分[4～7]。這對以后建立類似有限元模型提供了方法和指導。學者Bursi和Jaspart提出了一種與學者Gray PJ差不多的螺栓模擬方法即用一種剛性梁單元通過自旋一周來表示螺栓[8]。通過這種方法模擬螺栓可以避免螺栓因本構關系、運動描述、單元類型、螺栓的類型和螺栓的預緊力而造成的復雜的內力，從而起到簡化模型提高計算效率的目的。但是這種方法是以犧牲局部螺栓的精確性來確保螺栓連接節點可以進行計算，這就造成了其分析結果與實際試驗相比存在較大誤差。學者陳宏，施龍杰等研究了兩類螺栓端板連接節點的承載力性能和剛度特性，得到了節點的彎矩-轉角曲線，數值模擬與試驗結果吻合較好，從而為這種節點的設計與應用提供了參考依據[9]。

　　3.螺栓連接節點中螺栓的分析與模擬研究

　　由于，螺栓節點的模擬首要解決螺栓模擬的問題，國內外學者為了更好的模擬螺栓，發展和完善了各種螺栓模擬方法并對螺栓受力性能進行分析，并進行試驗對比，為螺栓節點設計和節點的螺栓合理模擬提供了大量文獻。

　　學者Hadi Razavi，Ali Abolmaali等人首次提出“隱形螺栓”的模擬方法[10]，這種模擬方法主要是以通過對螺栓接觸性能的分析得出螺栓在接觸中的全過程受力行為，并把這種行為歸納為螺栓接觸的算法并把這種新的算法帶入已有的螺栓耦合算法使其可代替螺栓的受力特性。這種模擬方法可以有效的避免因螺栓接觸部位的復雜性導致螺栓接觸面處網格單元計算的單調收斂性的破壞。并且用這種方法建立有限元模型時不需要再對螺栓進行模擬，大大減少了單元數簡化了模型提高了計算效率。為以后螺栓和螺栓節點的模擬提供了一定的指導意義。學者周煥廷等人對鋼結構螺栓連接節點高強螺栓群偏心受剪全過程反應進行了數值模擬，并結合實際工程，與規范進行了比較，得出：工程中設計的缺陷或施工誤差所引起節點連接的強度不滿足鋼結構設計規范時，試圖利用高強螺栓在摩擦力被克服后的剩余強度的做法是不安全的結論[11]。這為以后的螺栓連接節點設計提供了理論依據。鄭悅，趙偉等人采用三維實體單元承受軸心剪力的高強螺栓連接的性能進行研究，得到以下結論：各螺栓的剪力大致成兩邊大中間小分布，并非是按照按螺栓群中心進行對稱分布;摩擦型螺栓群，剪力分布不均勻程度較大，但是在滑移發生時各螺栓分擔剪力基本相等滑移發生后螺栓群剪力分布又向不均勻發展，但是不均勻程度下降;螺栓內預拉力在外拉力作用下會因板件泊松比效應和栓桿承壓后的擠壓效應發生松弛而減小[12]。這對以后依據螺栓受力性能進行螺栓的簡化提供了理論上的指導。徐建設等人通過數值方法對螺栓孔壁變形、滑移過程進行了研究分析，得到螺栓孔壁變形和總滑移量的發生規律，據此給出了螺栓孔壁變形及其連接滑移量的計算公式[13]，為以后的研究提供了理論指導。另外，太原理工大學的周欣茹在其碩士論文中以40Cr高強螺栓的常幅、變幅疲勞試驗數據為基礎，建立適于螺栓球節點網架的疲勞設計方法，并對高強螺栓疲勞性能的各種不確定因素進行分析，為進一步修訂規范，補充條文提供重要依據。 　　4.鋼結構螺栓連接節點的形式及性能的研究

　　1994年的Northridge地震和1995年的日本Kobe地震[14、15]之后，研究人員發現很多鋼結構梁柱節點處發生了脆性破壞，破壞位置一般都發生在梁下翼緣和柱的連接焊縫處。其主要原因是梁端焊縫部位及其周圍應力大，在地震作用下容易造成變形集中從而產生破壞。人們針對這些破壞原因提出了許多改進措施這為地震后節點檢查評估和震后修復加固提供了方法和技術支持。并且根據這種防止脆性破壞的理念，人們著重研究新的節點形式，為抗震設計提供了依據。在這些方面我國不少學者走在了世界前列，如李國強等人[16、17]通過研究地震中建筑物的破壞形式，指出許多建筑的破壞是因為焊接梁柱節點的脆性破壞引起得，并對節點脆性斷裂機理方面進行了研究，發現焊接梁柱節點的失效破壞往往源于應力集中地區。而脆性斷裂的主要原因除了構造不合理、設計方案欠妥等結構方面，而且與焊接缺陷等緊密相關，特別是梁柱焊接連接發生脆性斷裂對節點承載力造成極大影響。，不少學者如趙大偉等人提出了相應的預防措施[18]。還有學者楊尉彪針對“狗骨頭”型節點認為對該類節點附近梁的上下翼緣進行合理的消弱，可以達到增加節點延性的效果，同時對其節點剛度、強度影響較小，并且進行了試驗研究說明，提出了一種“狗骨頭”節點的設計方法[19] 。王燕等人基于外伸端板螺栓連接節點受力性能和設計方法的分析研究，認為初始連接剛度僅僅和節點構造形式相關，文中還總結了梁外伸端板厚度計算方法中未考慮鋼材的非線性性質和幾何非線性的缺點[20]。李少甫介紹了工字型截面的螺栓端板連接，按彈性狀態力的平衡來推導了螺栓受力、端板厚度的實用計算表達式 [21]。

　　5.對鋼結構螺栓連接節點的展望

　　從前人的研究成果中我們可以看出通過三維實體單元對鋼結構螺栓連接節點進行數值模擬時其準確度最高，但是在這種準確度極高的模擬方法中為準確反映螺栓的預緊力、滑移、接觸、摩擦、屈服等線性和非線性特性需要對其進行精細的單元網格劃分。這種精細的網格劃分會造成大量的單元和節點個數在加上復雜的接觸及邊界條件這會為計算帶來極大的困難有的時候甚至計算不下去。許多研究人員針對這種情況提出了不少螺栓連接節點及螺栓模擬的新方法，其中以上文的學者Gray PJ提出的以殼單元來代替實體單元對螺栓連接節點進行數值模擬和學者Hadi Razavi，Ali Abolmaali等人提出“隱形螺栓”的模擬方法效果最好。從上文所訴中可知這兩種方法都可以有效的減少模型的單元和節點個數，大大的提高了計算效率。但是缺點也是顯而易見的Gray PJ的方法需要犧牲螺栓的精度而Hadi Razavi的方法則對兩塊被連接板提出了更高的要求。這兩種方法互有優缺點，若是把這兩種方法結合起來以“隱形螺栓”來取代Gray PJ方法中殼單元建立的螺栓是不是可以做到在不增加模型單元數的前提下提高螺栓模擬的精確度，并且使用這種新方法建立的三維有限元模型在能不能在不過多增加計算負擔的前提下，盡可能地反映出被連接板件和螺栓的受力狀態，具有足夠計算精度。這些都需要以后的研究人員進行近一步研究認證。

　　參考文獻

　　[1] 李國強、張潔.我國高層建筑鋼結構的發展狀況[C].工程力學增刊 第七屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅱ卷)， 1998.10

　　[2] 馬新明.淺析鋼結構工業建筑的特點與發展前程[C].工程建設與設計，2001.4.

　　[3] Gray PJ， McCarthy CT. A global bolted joint model for finite element analysis of load distributions in multi-bolt composite joints. composites： Part B-Eng 2010;41(4)：317-325.