裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中M24高強度螺栓常幅疲勞設(shè)計方法的建立

張 健，黃文鵬，周子淳，雷宏剛

（太原理工大學 土木工程學院，太原030024）

裝配式鋼結(jié)構(gòu)普遍適用于各類工業(yè)廠房、橋梁、住宅、海洋石油鉆井平臺，然而由于高強度螺栓疲勞破壞導(dǎo)致的事故層出不窮，嚴重制約裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展［1］。國內(nèi)外專家學者對此展開一系列試驗和理論研究，馮秀娟等［2］對12根螺栓球節(jié)點網(wǎng)架桿件和12個懸掛吊點試件進行了常幅疲勞試驗，得到了高強度螺栓規(guī)格為M24和M33的21組有效常幅疲勞試驗數(shù)據(jù)，求得了S-N曲線并建立了驗算公式。閆亞杰等［3］完成了 M20和 M30共32個高強螺栓連接的常幅疲勞試驗，得到了19個有效破壞點，建立相應(yīng)的S-N曲線，通過允許應(yīng)力幅法建立了常幅疲勞驗算方法。雷宏剛等［4］對M20、M30兩種規(guī)格共21個高強度螺栓連接疲勞試件進行了5種隨機性程序塊的加載，得到21個有效試驗數(shù)據(jù)，并建立了基于累計損傷理論的變幅疲勞壽命估算方法。D’ANIELLO et al［5］對歐洲GR10.9螺栓組件進行了單調(diào)拉伸試驗、變幅和恒幅疲勞試驗。NODA et al［6］研究了螺距差對螺栓連接抗松動性能和疲勞壽命的影響，提出了提高防松動性能和疲勞壽命所需的最理想螺距差。上述研究主要集中在螺栓球網(wǎng)架中的高強螺栓和歐洲標準螺栓的疲勞性能，其中螺栓不要求施加的預(yù)拉力，對于國產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓連接副的疲勞性能鮮有報道。由于疲勞問題的復(fù)雜性，試驗研究尤為重要［7］。為此，本文對M24高強度大六角頭螺栓的受拉疲勞性能開展了較系統(tǒng)的試驗研究，建立其疲勞設(shè)計方法，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 試驗概況

1.1 M24高強度螺栓連接副

試驗采用國產(chǎn)M24鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓連接副，規(guī)格為M24×100，產(chǎn)品質(zhì)量滿足現(xiàn)行國家標準 GB／T 1228-1231-2006［8-11］。每一組高強度螺栓連接副在試驗前都對螺栓螺紋進行仔細檢查，確保螺紋無任何破壞，從而保證疲勞試驗不受螺紋初始損傷的影響。M24高強度螺栓連接副基本性能指標見表1.

表1 M24高強度大六角頭螺栓連接副性能指標Table 1 M24Performance index of high strength hexagon head bolt connection

1.2 受拉連接夾具的設(shè)計

由于疲勞試驗機無法直接夾持高強度螺栓連接副，本試驗設(shè)計了可以實現(xiàn)高強螺栓受拉連接的夾具，詳見圖1（a）-（d），材質(zhì)為 Q345B，板件間連接均為坡口等強焊接，以保證夾具有足夠的靜力與疲勞強度。

1.3 靜力拉伸試驗

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

本試驗首先隨機選取3個M24高強度螺栓連接副進行單向靜力拉伸試驗，以檢驗螺栓的靜力性能并確定合適的疲勞試驗加載等級。表2為靜力試驗結(jié)果，其各項力學性能指標均滿足標準要求。在靜力載荷條件下M24高強度螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2.

表2 靜力試驗結(jié)果Table 2 Static test results

圖2 M24高強度螺栓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 M24Stress-strain curves of high strength bolts

1.4 常幅疲勞試驗

試驗在美國進口的MTS Landmark 370.50伺服液壓疲勞試驗機（圖3）上進行，采用力控加載，加載波形為等幅正弦波，試驗頻率為7～12Hz，應(yīng)力比為0.64.高強度螺栓施加的初始預(yù)拉力扭矩值為200～300N·m，疲勞試驗的最高應(yīng)力水平根據(jù)試件屈服強度確定，通過變化應(yīng)力幅共進行了14個M24高強度螺栓的常幅疲勞試驗，試驗數(shù)據(jù)詳見表3.

圖3 試驗裝置Fig.3 Test unit

表3 常幅疲勞試驗結(jié)果Table 3 Fatigue test results

2 試驗結(jié)果分析

2.1 疲勞斷口分析

根據(jù)斷裂試樣分析，所有高強度螺栓常幅疲勞破壞模式都是螺栓桿發(fā)生疲勞斷裂，且疲勞斷口均產(chǎn)生于螺桿與螺母咬合處外露的第一個螺紋牙底處，說明高強度螺栓的常幅疲勞破壞主要由應(yīng)力集中引起。試樣典型的斷裂模式見圖4.

圖4 M24-5斷裂模式Fig.4 M24-5Failure patterns

高強度螺栓疲勞斷口分析是研究其疲勞過程、分析疲勞失效原因的重要方法［12］，通過檢測可以提供材料或構(gòu)件疲勞斷裂細節(jié)，記錄裂紋的萌生、擴展和最終斷裂過程中的重要信息。本文選取高，中，低應(yīng)力幅下的典型試樣 M24-1，M24-7和 M24-14，通過掃描電子顯微鏡進行了疲勞破壞斷口的宏觀和微觀（包括疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)）金相分析，初步揭示了高強度螺栓的疲勞斷裂機理。

試樣M24-1宏觀斷口見圖5（a）.M24-1在試驗中施加的σmax和Δσ都較大，疲勞破壞累積循環(huán)次數(shù)在5×104以下，疲勞源區(qū)、擴展區(qū)面積比例較小，較快進入瞬斷區(qū)，瞬斷區(qū)面積約占螺栓斷口面積的2／3，呈明顯塑性斷裂特征。試樣M24-7的疲勞破壞累積循環(huán)次數(shù)為29.92×104，試樣M24-7宏觀斷口見圖6（a），疲勞源約占螺栓斷口周長的3／4，瞬斷區(qū)面積約占螺栓斷口面積的1／2.試樣M24-14宏觀斷口見圖7（a），M24-14高強度螺栓加載的應(yīng)力水平較低，σmax在400MPa以下，疲勞破壞累積循環(huán)次數(shù)為1.3×106，斷口較為平整光滑，疲勞源在螺栓的一側(cè)，并向另一側(cè)擴展，瞬斷區(qū)面積較小，約占螺栓斷口面積的1／3.

觀察試樣 M24-1／7／14宏觀斷口可得如下結(jié)論：1）應(yīng)力水平越高，疲勞破壞斷口越不規(guī)則，裂紋擴展速度越快，擴展區(qū)所占的面積越小，塑性斷裂特征越明顯；2）應(yīng)力水平越低，斷口更加規(guī)則平整，疲勞破壞特征更顯著。

采用掃描電鏡觀察高強度螺栓疲勞破壞斷口的微觀形貌，疲勞源區(qū)（圖5（b），圖6（b）和圖7（b））放大500倍，疲勞裂紋擴展區(qū)（圖5（c），圖6（c）和圖7（c））和疲勞瞬斷區(qū)（圖5（d），圖6（d）和圖7（d））放大2 000倍。可得不同應(yīng)力水平下的高強度螺栓斷口微觀形態(tài)有相同特征：1）疲勞源區(qū)有一個或多個疲勞源。高強螺栓由于螺紋的存在，構(gòu)件表面發(fā)生了尺寸突變，會導(dǎo)致嚴重的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生高強螺栓的疲勞源。疲勞源通常以貝紋弧線為起點，呈半圓形和半橢圓形，還有可能看到明顯的放射線。2）疲勞擴展區(qū)有明顯亮色疲勞條紋，還可以看到放射線和貝紋弧線。裂紋擴展區(qū)最明顯的特征是貝紋線以疲勞源為中心呈波浪狀不斷向前擴展，從而產(chǎn)生多個疲勞源的斷口，裂紋在疲勞擴展區(qū)從不同的疲勞源開始沿著對各自擴展有利的平面擴展，當在兩個不同平面上擴展的疲勞裂紋相遇時，以切變和撕裂的方式形成疲勞臺階，之后逐漸趨向同一平面擴展。3）高強度螺栓的常幅疲勞瞬斷區(qū)形貌與疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)相比表面非常不規(guī)則，韌窩形態(tài)豐富。

圖5 M24-1疲勞斷口Fig.5 M24-1Fatigue fracture

圖6 M24-7疲勞斷口Fig.6 M24-7Fatigue fracture

圖7 M24-14疲勞斷口Fig.7 M24-14Fatigue fracture

2.2 常幅疲勞試驗數(shù)據(jù)的回歸分析

通過對表3所示的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析得出高強螺栓的乘冪回歸曲線和常幅疲勞S-N曲線如圖8-圖11所示，圖10、圖11中S-N曲線對應(yīng)的方程式如式（1）、式（2）所示。

圖10中S-N曲線方程：

相關(guān)系數(shù)：

圖8 乘冪回歸曲線Fig.8 Power regression

圖9 乘冪回歸曲線Fig.9 Power regression

圖10 S-N曲線Fig.10 S-N Curve

圖11 S-N曲線Fig.11 S-N curve

圖11 中S-N曲線方程：

相關(guān)系數(shù)：

2.3 M24常幅疲勞設(shè)計方法的建立

以Δσ為設(shè)計參量，驗算公式為：

式中：Δσ為高強螺栓連接計算處的名義應(yīng)力幅，MPa；［Δσ］為高強螺栓連接的容許應(yīng)力幅，MPa，以N＝2×106為基準期，則由公式（2）可知［Δσ］N＝2×106＝105.07MPa，取105MPa；N為循環(huán)次數(shù)；C、β為參數(shù)，根據(jù)公式（2）分別取66.83×1012、3.722.

3 結(jié)論

通過試驗研究3個M24高強度螺栓的靜力拉伸性能和14個M24高強度螺栓常幅疲勞性能，可得到以下結(jié)論：值，說明本文采用的高強度螺栓靜力性能良好。

2）通過對M24高強度螺栓試件斷口進行分析，可發(fā)現(xiàn)高強度螺栓常幅疲勞破壞均產(chǎn)生于螺桿與螺母咬合處外露的第一個螺紋牙底處。應(yīng)力水平越高，裂紋擴展速度越快，擴展區(qū)所占的面積越小，疲勞破壞斷口越不規(guī)則。

3）根據(jù)允許應(yīng)力幅法建立疲勞設(shè)計方法，可得M24高強度螺栓的［Δσ］N＝2×106＝105MPa，C＝66.83×1012，β＝3.722，建議歸為《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017-2017）［13］表16.2.1-1中的Z5類。