自攻螺钉连接抗剪承载力有限元

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1、自攻螺钉连接抗剪承载力有限元建模方法的研究王小平1,房玉松1(1武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430070)摘要：随着轻钢龙骨体系及彩钢板的广泛使用，自攻螺钉连接受力性能也越来越被人们重视。目前国内有关自攻螺钉连接受力性能的研究主要集中在试验和有限元分析两方面，其中有限元的建模方法各有不同。本文采用ANSYS有限元软件建立了自攻螺钉抗剪连接的七种简化计算模型，对各种简化模型所得连接的极限承载力、破坏形式及建模特点进行了比较，得到了自攻螺钉连接合适的有限元建模方法，为自攻螺钉抗剪承载力的理论研究提供有益的参考。关键词：自攻螺钉连接；抗剪承载

2、力；有限元；建模方法；研究ResearchOnFiniteElementModelingMethodofAnti-shearCapacityofSelf-drillingScrewConnectionWangXiaoping1，FangYusong1(1SchoolofCivilandArchitectureEngineeringofWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)Abstract:Withthedevelopmentoflight-gaugedsteelsystemandcolorsteelplat

3、e,themechanicalperformanceofself-drillingscrewconnectionisincreasinglyconcerned.Atpresent,researchontheself-drillingscrewconnectionfocusesonexperimentandfiniteelementanalysisinChina.Butthemodelingmethodoffiniteelementanalysisisdifferent.Inthispaper,sevensimplifiedanalysismodel

4、sarebuiltwithfiniteelementanalysissoftwareANSYS.Theultimatebearingcapacity,failuremodeandmodelingfeaturearepresentedandcomparedforthedifferentsimplifiedmodels.Thesuitablefiniteelementmodelingmethodisprovided.Theresearchresultisbeneficialtothetheoryresearchoftheanti-shearcapaci

5、tyoftheself-drillingscrewconnection.Keywords:Self-drillingscrewsconnection；Anti-Shearcapacity；Finiteelementmethod；Modelingmethod；Research1前言近年来，随着轻钢龙骨体系的发展及彩钢板的广泛使用，自攻螺钉以其施工方便、连接刚度好、承载力高及对施工人员要求低等特点而成为冷弯薄壁结构的主要连接形式。自攻螺钉由钻头、丝锥及丝扣等三部分构成。其中，钻头主要用于在连接件上钻孔；丝锥用于在孔上加工螺纹；丝扣的主要作用是将螺钉拧入

6、，不用螺帽就能将被连接板彼此拧紧，从而起到连接的作用。用于自攻螺钉连接的连接钢板都比较薄，有的达到1.0mm以下，在沿螺钉轴向力的作用下连接件与螺钉之间在很小的拉力作用下就破坏，因此主要考虑螺钉的抗剪作用。目前国内外对于自攻螺钉节点的研究主要集中在试验方面[2][3][4][5]，采用有限元方法研究的比较少[6][7]，而简化建模方法是有限元分析结果是否合理的关键。本文采用七种不同方法建立了螺钉受剪时的ANSYS有限元模型，并把分析数据与规范[8]螺钉抗剪承载力计算结果进行了比较，找出了适合自攻螺钉抗剪承载力的有限元分析建模方法，为类似的理论分析提

7、供参考。2七种受剪自攻螺钉有限元建模方法2.1研究对象在实际工程中，连接的形式多种多样，本文主要选用一种典型的单剪拉伸试件研究自攻螺钉的抗剪承载力。加载前，不考虑螺钉帽与钢板之间、钢板与钢板之间及螺钉丝扣与钢板之间的摩擦力，试件的力学计算简图如图1。图1中，试件左端设为固定端，即约束节点的所有自由度，而右端沿拉力方向采用滑动支座的方式来施加荷载，其余方向的自由度均约束。连接板的厚度均采用2mm、材质为Q235的钢材；螺钉采用ST5.5自钻自攻螺钉。图1力学计算模型2.2材料自攻螺钉的材料多为合金钢，材质较硬，应力应变曲线基本没有明显的流幅，应力一旦

8、达到极限强度600MPa即宣告破坏，之前的塑性变形极小。为了体现极限强度的概念，需要将螺钉在有限元分析中的本构关系设定为如