Experiments and Computational Method on Bearing Capacity of Bolted Joint for Aluminum Alloy Sheets
WANG Yuanqing1 ， YUAN Huanxin1 ， SHI Yongjiu1 ， ZHANG Guixiang2
［8 ］
1． 2
试件及加载试验
铝合金板件螺栓连接节点试件使用 16 mm 的 Q345 钢板作为外盖板， 采用一块 3 mm 厚的 Q345 钢板作为内辅助板， 另一块内板为铝合金试验板件， 内外板宽度均为 100 mm。 铝合金试件板一 共 20 块， 钻孔形成的螺栓孔径比螺杆直径大 0． 5 mm， 各 板件拼装如图 1 。
Abstract： Twenty specimens of alloys 6061 － T6 and 6063 － T5 were tested，with screw diameter and end distance as testing parameters． Ultimate bearing capacities of the bolted joints were obtained，as well as the relationship between applied load and deformation of bolt hole． Corresponding numerical simulation was implemented on the basis of finite element（ FE） model set up by ANSYS software． The accuracy of the FE model was verified with respect to the perfect agreement between test results and those predicted by numerical simulation． The contribution of end distance，pretension and friction coefficient to the bearing capacity of bolted joints was elaborated． Eventually，a new computational formula for bearing capacity of bolted joint for aluminum alloy sheets was proposed． Key words： aluminum alloys； bolted joints； bearing capacity； computational methods
第 43 卷 第 5 期 2011 年 9 月
四川大学学报（ 工程科学版）
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE EDITION）
Vol． 43 No． 5 Sept． 2011

（ 1． Key Lab． of Civil Eng． Safety and Durability of China Education Ministry，Dept． of Civil Eng． ， Tsinghua Univ． ，Beijing 100084 ， China； 2． Beijing Vanke Corporation， Limited， Beijing 100125 ， China）
铝合金板件螺栓连接的承压破坏形态有 2 种： ［9 ］ 螺栓从端部拉脱和螺栓孔塑性变形被拉长 。 其 承压承载力需要同时考虑强度准则和变形准则 ， 考 ［10 ］ Kim 等 提出当螺栓孔变形 虑到正常使用的要求， 达到孔径的 30% 时， 认为螺栓连接不再适合继续承 EC9 也采用了这一限值规定。 载而达到了极限状态， 作者通过进行铝合金板件螺栓连接节点的承压 试验研究， 分析螺栓直径和端距对节点承压承载力 的影响。利用有限元分析手段对试验过程进行数值 模拟及参数分析， 探索铝合金板件承压强度的计算 方法。
材料属性 6061 － T6 与 6063 － T5 这 2 种牌号的铝合金属 于铝镁硅系合金， 其挤压型材在建筑结构领域应用
［11 ］
广泛
。通过在挤压形成的铝合金板材上切取标
试件编号 6061 － 1 － 1 / 2 6061 － 2 － 1 / 2 6061 － 3 － 1 / 2 6061 － 4 － 1 / 2 6061 － 5 － 1 / 2 6063 － 1 － 1 / 2 6063 － 2 － 1 / 2 6063 － 3 － 1 / 2 6063 － 4 － 1 / 2 6063 － 5 － 1 / 2
图1 Fig． 1
板件拼装及尺寸
Test specimens and dimensions
1
1． 1
试验过程
铝合金板件变化的参数包括端距与螺杆直径， 每种牌号的铝合金材料取 3 组不同的端距 e， 以分析 端距对其 承 压 性 能 的 影 响； 采 用 3 组 直 径 的 螺 栓 （ M12、 M16、 M20） 以分析螺栓直径 d0 的影响。 每组包 括 2 个相同的试件， 进行重复试验确保试验数据的准 确性。铝合金板件的试件编号及详细参数见表 2。
研 究， 提出了设计建议公式 。 中国于2007 年颁布的
204
［7 ］
四川大学学报（ 工程科学版）
第 43 卷
铝合金结构设计规范 给出了铝合金板件螺栓连 其中构件的承压强度直接按照 接的相关设计公式， 欧洲规范 （ EC9 ） 取值， 而目前国内铝合金板件螺 栓连接的承压性能仍然需要进一步研究 。
［6 ］
屋盖采用铝合金单层网壳， 铝合金材料牌号为 6061 ［2 ］ － T6 ， 网壳的铝合金节点采用螺栓连接 ； 在2001
收稿日期： 2010 － 11 － 12 基金项 目： 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 （ 20090002110046 ） 作者简介： 王元清（ 1963 － ） ， 男， 教授， 博导． 研究方向： 钢结构； mail： wang － yq@ tsinghua． edu． cn 铝合金结构． E-
准材性试件， 每种材料各做 3 个试件， 其尺寸参考金 ［12 ］ 属材料室温拉伸试验标准 。 通过单向拉伸试验， 得到材料的名义屈服强度 f0． 2 、 极限强度 f u 、 弹性模 量 E 和材料系数 n， 取 3 个试件的平均值， 结果列于 2 种铝合金材料的弹性模量均偏低， 可能与具 表 1。 体材料的批次以及加工工艺相关， 表 1 中的材性试 验结果可用来模拟试验结果， 而在后面的参数分析 ［7 ］ 中取用规范 规定的强度及弹性模量值。
年建成的上海植物园展览温室采用了铝合金网架结 构， 使用了 6061 － T6 和 5083 － H321 这 2 种 铝 合 金， 节点处通过镀铬显著降低铝合金母材 ［4 ］ 的强度， 而且检查与修复比较复杂 ， 因此在铝合 金结构中主要采用机械连接节点 。铝合金的弹性模 量较低， 而且是非线性材料， 使得其机械连接节点的 承载性能不同于钢结构螺栓连接节点， 国内已经有 ［5 ］ 学者进行了了相关研究。 马炳成等 对铝合金结 构中的虎克铆连接滑移机理进行了研究， 分析了接 触摩擦模型、 摩擦系数等对节点抗剪承载力的影响 。 李静斌等 采用试验与数值分析手段， 对铝合金双 盖板螺栓群节点与双 T 形节点的承载性能进行了
对应残余应变为 0 ． 1 % 和 0 ． 2 % 时的应力。
第5 期
王元清， 等： 铝合金板件螺栓连接承压强度试验与计算方法
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为铝合金板件的厚度。
表3 Tab． 3 铝合金板件试验承压承载力与变形 Bearing capacity and deformation of the specimens
摘
要： 螺栓连接是铝合金结构中最常用的节点形式， 对铝合金板件螺栓连接节点的承压性能进行试验研究与分
析是十分必要的。结合建筑结构领域常用的 2 种铝合金材料 6061 － T6 和 6063 － T5 ， 设定螺栓直径和端距为试验 参数， 总共对 20 个螺栓连接节点试件进行了加载试验， 得出了节点试件的承压承载力以及荷载与螺栓孔变形的关 计算结果与试验值吻合良好； 基于试验验证的有 系。利用 ANSYS 建立了有限元模型对节点试件进行了数值模拟， 限元模型， 分析了螺栓端距、 预拉力和摩擦系数等因素对承压性能的影响， 总结提出了铝合金板件螺栓连接承压强 度的计算公式， 可以作为相关设计的参考依据 。 关键词： 铝合金； 螺栓连接； 承压性能； 计算方法 中图分类号： TU395 文献标志码： A
铝合金材料最初在航空等领域取得了成功的应 用， 由于其自重轻、 耐腐蚀性和耐久性好等特点而被 引入了建筑结构领域。当前铝合金结构在中国已经 取得了成功的应用， 主要结构形式包括铝合金网壳、
［1 ］ 网架， 铝 合 金 桁 架 等， 展 现 了 良 好 的 应 用 前 景。 中国现代五项赛事中心游泳击剑馆位于成都市 ， 其
为了确保铝合金板件发生承压破坏， 采用 10． 9 级高强钢螺栓， 试验时用普通扳手拧紧螺栓， 不施加 预紧力。 在外盖钢板上开槽以实时量测荷载作用下铝合 金板件螺栓孔的变形， 具体做法是在螺栓孔对应的 然后在螺栓头和槽中铝合金试件板 钢盖板上开槽， 上粘接固定基座， 采用引伸计量测固定基座之间的 相对变形， 即可在试验中实时量测螺栓孔的变形量 。 加载装置为 100 kN 的拉伸试验机， 试件加载及量测 装置如图 2 所示。
表1 Tab． 1
牌号 6061 － T6 6063 － T5
试件材料属性
Material properties of the specimens
屈服强度 f0． 2 / 极限强度 f u / 弹性模量 E / 材料系数 MPa 285 145 MPa 296 182 MPa 46 000 53 000 n 30 15