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业行动计划-【科学研究项目】立项申请书(1)

北京市大学生科学研究与创业行动计划
科学研究项目-立项申请书

项目名称：螺栓距和端距对抗剪连接中螺栓及螺栓孔
周边受力的影响研究　　　　　　　　　
项目负责人：　　　　　　　　　　　　　　　　　
学 号：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
所在学院：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
班 级：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
联系电话：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
电子邮箱：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
指导教师：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
填表日期：　　　 年 　 　　月　　　 日

一、申请信息表
项目名称
螺栓距和端距对抗剪连接中螺栓及螺栓孔周边受力的影响研究
项目起止时间
2012 年 6月 至 2013年 6月
项目团队成员情况
姓名
学号
所在院系
班级
联系电话
电子邮箱

刘蒙莎

校内导师情况
姓名
剧锦三
职务
系主任
职称
教授
所在学院
水院
电话
62737130
电子邮箱
jujinsan@
校外导师情况
姓名

职务

职称

电话

电子邮箱

二、项目概况
（项目阐述和主要创新内容）
项目概况
1．立项背景：
螺栓连接时钢结构中的一种主要连接方法。螺栓在连接中主要排列成行，以便于多头钻床钻孔。同时相邻的螺栓孔的中心应保证为拧紧螺栓放置扳手所需的最小距离。沿螺栓线相邻螺栓孔的中心距为螺栓距，连接中最末一个螺栓孔中心沿连接的受力方向至构件端部的距离为端距。螺栓是通过点或者点阵的受力来实现结构受力的传递。单个螺栓受力较为复杂。通过学习发现，我国规范中普通螺栓的设计方法中有很多不足之处。
普通螺栓其抗剪连接是依靠螺杆受剪和孔壁承压来承受荷载的。对于单个螺栓的受力，必须首先得到其在整体抗剪连接中的受力才能够比较精确地得到每个螺栓的受力，然后通过单个螺栓的受剪承载力公式计算其承载力。而每个螺栓受力是和其在螺栓群中的位置紧密相关。也就是说每个螺栓的受力是不同的，而规范按照每个螺栓均匀受力来分配荷载是不够准确的，影响受力的主要因素还有螺栓距和端距。
对于单个螺栓，螺栓杆和螺栓孔周边是通过接触传递剪力从而实现螺栓抗剪，实际接触面是半个圆柱面的面积，如果考虑螺纹处受剪则是螺纹和螺栓孔壁接触，螺栓和孔壁的接触受力状态更加复杂。而规范计算表达式是，其物理意义就是假定了压应力在通过螺栓直径的截面来计算。对实际应力的分布和传递情况没有交代清楚。螺栓孔壁的受力是和螺栓的受力紧密相关的，因此研究螺栓受力的影响因素是必要的。
鉴于以上问题，本项目计划申请把螺栓距和端距对螺栓及螺栓孔周边受力的影响作为研究对象，使用有限元分析方法，把常见的螺栓布置形式用有限元方法模拟出来，以便解析钢结构设计规范中对螺栓孔工作机理的模糊描述，对螺栓连接局部受力集中有定量的理解。
2.基本内容概况：
有限元现在已经是常用的力学求解方法，本课题计划使用同学们熟悉的有限元软件ABAQUS为平台进行数值模拟，对常见形式的承压型螺栓孔进行力学分析，得到螺栓设计中板件的受力特点。比较现行规范中的假设和实际螺栓孔中受力的不同，了解承压型螺栓工作原理、布置方式等因素对连接刚度的影响，弥补现行教学大纲中对该部分内容论述中的不足，提高学生对构造的重要性的认识和确定构造受力的复杂性的认识。
3.本项目的创新点在于：
通过学习发现，我国规范中普通螺栓抗剪连接中的设计方法中的不足之处，使用有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟，对螺栓距和端距对抗剪连接中螺栓及螺栓孔周边受力的影响进行研究，对规范中抗剪连接设计进行考虑螺栓端距和螺栓距影响后的修正。

三、实施计划及方案
(进度安排、研究方案、实验方案、技术路线等)
1.进度安排
1）2012年7月－2012年9月，查阅相关资料，熟悉目前有关普通螺栓抗剪性能方面的研究工作，学习有限元分析软件ABAQUS，制定详细研究方案；
2）2012年10月-2013年1月，建立实体有限元模型进行研究。运用有限元分析软件ABAQUS，参考规范中试件标准，建立相应的多组数值模型，详细分析普通螺栓的抗剪连接中栓端距和螺栓距对螺栓受力分配、螺栓孔壁承压的影响，记录相关数据。
3）2012年2月-2013年4月，参照数值模拟中的模型与工况，使用规范中相关规定进行计算。将依照规范手算结果与数值模拟结果进行比较，分析二者结果的差异，进行比较，观察规范结果是否较数值模拟结果偏于危险，总结异同点，并根据数值模拟结果对规范提出修正意见。
4）2013年5月-2013年6月，整理两次计算的全部数据，进行数据汇总分析，撰写总结报告。

2.研究与实验方案
1）有限元软件数值模拟：参考工程经验，本项目中选取双剪模型，使用ABAQUS的CAE建模，使用其求解器进行计算，并后处理输出相关结果。图1为其双剪对接连接示意图。

图1
2）依照规范计算螺栓抗剪结果：我国规范假设l1≤15d0时，各螺栓平均受力，其中l1为从连接一端的第一各螺栓到最末一个螺栓的中心距离，d0为螺栓孔直径。且抗剪螺栓连接中，螺栓承载力设计值取螺栓受剪和孔壁承载力设计值中的较小者。 一个螺栓的受剪承载力设计值应按下述公式计算：
Nvb=nvπd24fvb
式中，nv为受剪面数目，双剪取nv=2；d为螺栓直径；fvb为螺栓抗剪强度设计值。
一个螺栓的孔壁承压承载力设计值应按下式计算：
Ncb=d∙t∙fcb
式中，t为在同一受力方向承压的构件较小总厚度；fcb为螺栓的孔壁承压强度设计值，我国设计规范中规定其值与连接件的钢材牌号及螺栓类别有关，与螺栓距和端距无关，但必须保证螺栓距p≥3d0和端距a≥2d0。
3）数据汇总，撰写实验报告和论文：结合实体有限元方法研究与依照规范手算结果，验证实体有限元方法结果准确性，对比钢结构设计规范（GBJ17-88)，提出修正建议，撰写报告。
3. 技术路线
查阅相关文献，对目前该方面的研究加以认识了解，并
学习有限元分析软件ABAQUS

有限元软件数值模拟

规范计算

选取计算模型，建立数值模型

参照数值模拟中的模型与工况使用规范相关规定计算

施加荷载，计算结果，并计算螺栓的抗剪受力及孔壁受力情况，记录数据

对比数值模拟与手算的结果，进行比较分析

数据汇总，撰写实验报告和论文

四、实施基础与条件
（包括项目实施应具备的专业知识、基本仪器、设备及实施条件）
1．专业知识
本项目申请者修完理论力学和材料力学，本学期学习结构力学、弹性力学、钢结构原理与设计等课程，具备开展本项目研究的专业基础知识。
2．基本仪器与设备
中国农业大学水利与土木工程学院配备正版ABAQUS有限元软件。
3.实施条件
1）中国农业大学水利与土木工程实验教学中心全面面向本科生开放，能提供结构分析、结构试验的场地和设备。
2）中国农业大学图书馆和网络中心能提供项目进行所需要的图书、文献资料和网络使用条件。
3）项目组成员学习优秀、学有余力。
4）指导教师剧锦三教授，长期从事工程结构方面的研究与教学，具有丰富的研究和指导学生进行科研的经验，能为本项目的研究工作提供有力的指导与支持。

五、预期成果
通过实验和实体有限元方法研究，计算分析螺栓距和端距对抗剪连接中螺栓及螺栓孔周边受力的影响研究，对比钢结构设计规范（GBJ17-88)，提出修正建议，撰写报告。
提交成果的形式：1. 至少在核心期刊、争取在EI核心期刊发表（接受）学术论文一篇；2.项目综合技术报告；3.总结报告。

六、申请人签名

项目负责人：
项目团队成员：
　 年　　月　　日

七、指导教师意见

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 签名

年　　月　　日

八、学院意见

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 签名

学院公章

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日

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