ABAQUS中螺栓预紧力的简化施加方法

ABAQUS中螺栓预紧力的简化施加方法

李宇杰

四川省建筑设计研究院有限公司 四川  成都 610000

摘要：基于ABAQUS有限元软件，分别采用螺栓单元和转换器单元对两块钢板施加相同大小的预紧力进行数值模拟，分析结果表明，存在螺栓单元模型的钢板侧向发生0.2199mm的位移，而不存在螺栓单元模型的钢板侧向发生0.2264mm的位移，误差为2.96%。

关键词：数值模拟；螺栓单元；转换器单元

1 概述

近年来，在国家相应政策的推动下，大力发展装配式建筑，实现建筑产业化和工业化成为了建筑业发展的新趋势。在装配式结构中，预制构件间的连接节点是装配式结构中的关键部分，其性能对于体系整体的抗震性能有着显著的影响，常用的节点连接分为湿式连接和干式连接两种形式。

湿式连接，主要指在构件预制时边缘预留钢筋，并在构件装配时将预留的钢筋绑扎或搭接，然后将预留部位进行混凝土后浇，形成完整的受力节点，达到等同现浇的性能。目前最常用的形式主要有套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、后浇带连接。然而湿式连接具有施工难度大、浇筑难以密实、质量不可控、对环境污染严重等缺点。

相较于湿式连接，干式连接具有建造速度快、施工质量高和对环境友好等优点。干式连接包含焊接连接和螺栓连接两种形式，焊接避免了构件装配时混凝土的浇筑，建筑垃圾少，但也存在焊缝质量难以控制、节点延性差等缺点。螺栓连接具有操作简单、工艺简单和质量可控等优点，绿色环保、工业化程度高，同时节点刚度易于控制、延性较高和耗能优异等优点。但在有限元软件中，螺栓的建立较为复杂，同时会导致计算时间的增加和收敛性的变差。故在有限元分析中，若螺栓并非主要研究对象，而仅用于施加预紧力，可将其进行简化，从而提高计算的效率。

2 有限元分析

本文采用非线性有限元软件ABAQUS进行建模分析。分别建立了存在螺栓单元（M1）和不存在螺栓单元（M2）的两种模型。对于存在螺栓单元的模型，一共有四个实体单元，分别为L型带孔上钢板、矩形带孔下钢板、螺栓和螺母；对于不存在螺栓单元的模型，仅有上侧钢板、下侧钢板两个实体单元和转换器单元，具体参数如表1所示。

表1  部件详细参数

注：Φ为圆直径；D为空心圆外直径，r为空心圆内直径

钢材是一种各向同性材料，本文采用ABAQUS中的各向同性（isotropy）来定义钢板、螺栓和螺母在弹性和塑性阶段的力学属性。弹性阶段需输入弹性模量和泊松比，塑性阶段需输入屈服应力和屈服应变。钢材本构模型采用简化的双折线模型进行描述，如图1所示，其中fy为屈服应力，ft为极限应力，εy为屈服应变，εt为极限应变。单元间的接触模型均使用“接触”进行定义，切向行为和法向行为分别采用“罚”和“硬接触”进行描述，其中“罚”需定义摩擦系数，本文中取定该值为0.2。

图1 钢材本构模型

实体单元均采用八结点线性六面体的三维单元C3D8R进行网格划分，这种单元与其他高次等参单元相比，计算精度稍差，但可以减少较多自由度，进而大大节省了计算时间。为提升计算的准确性，需采用较为合理的网格尺寸，本文所采用的网格尺寸均为4mm。

对于两个模型，均将矩形钢板底部的3个平动自由度和3个转动自由度进行约束（U1=0,U2=0,U3=0,UR1=0,UR2=0,UR3=0），限制其位移，以达到固接的效果。在M1中，沿螺栓长度方向对其施加大小为23kN的螺栓荷载，L型钢板侧向最大产生0.2199mm的位移，如图2(a)所示，同时由于受到中部螺栓的预紧力，L型钢板和矩形钢板边缘的接触面发生相对位移，L型钢板向上产生了0.1099mm的位移；在M2中，分别在L型钢板和矩形钢板的螺栓孔中建立了两个参考点RP1和RP2，然后用两个参考点分别耦合相应螺栓孔中的3个平动自由度和3个转动自由度，最后用直线将RP1和RP2进行连接，并将该直线建立为转换器单元。对转换器单元施加大小为23kN的连接力，L型钢板侧向最大发生0.2264mm的位移，两钢板间的边缘接触面也发生分离，矩形钢板向上产生了0.1132mm的位移，如图2(b)所示。

在M1和M2分析计算中，M1计算时间约为5分钟，且为增加模型的收敛性，还需要建立多个分析步；而M2计算时间约为1分钟，且仅采用1个分析步就可以完成预紧力的施加，有效减少了计算时间，提高了计算效率。同时根据计算结果可知，在两个模型中，L形钢板的侧向位移和竖向位移均非常接近，表明转换器单元能满足预紧力的施加，以达到简化螺栓的目的。

（a）存在螺栓单元

（b）不存在螺栓单元

图2 有限元计算结果

3 结论

在ABAQUS分析软件中，如果螺栓单元非重点分析对象，既不需要对其应力发展、滑移变形和受剪变形等进行分析，而仅需对构件间施加预紧力，则可采用转换器单元。转换器单元能有效节省计算时间，同时提升模型的收敛性，在本文中，将M1和M2的最大侧向位移进行对比，发现位移误差仅为2.96%，且变形模型也一致，表明使用转换器单元施加预紧力的可行性和科学性。