焦晉峰，賈朋朋，劉 勇，劉建秋，雷宏剛

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

構(gòu)架鋼管避雷針結(jié)構(gòu)，鑒于設(shè)計、加工和安裝簡便，被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)工程中[1]。作為超高壓變電站主要部件，構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定運行對變電站意義重大。端板高強螺栓連接作為構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)合理節(jié)點型式，其節(jié)點受力性能直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全?？紤]到構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)高度偏高，構(gòu)件截面尺寸小，結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度偏弱，屬于高柔結(jié)構(gòu)。當(dāng)構(gòu)架避雷針結(jié)構(gòu)位于強風(fēng)荷載地區(qū)或高烈度設(shè)防地區(qū)時，其端板高強螺栓連接處易發(fā)生疲勞失效，從而引起結(jié)構(gòu)斷裂倒塌[2-6]。

國內(nèi)外學(xué)者對螺栓連接疲勞性能進行了試驗和理論研究，其主要研究成果為：WANG et al[7-8]研究了螺栓連接的成孔方法和預(yù)拉力對疲勞壽命的影響；劉勝祥等[9]基于工程實例，數(shù)值模擬了風(fēng)機上高強度螺栓的力學(xué)性能，編制了其相關(guān)的疲勞計算程序；穆國煜[10]基于數(shù)值模擬主要探討了端板尺寸和螺栓預(yù)拉力兩個因素對其疲勞性能的影響；何玉林等[11]基于參數(shù)化數(shù)值模擬端板連接外加載荷與螺栓受力之間的關(guān)系，建立外加載荷與螺栓受力的計算公式，并計算得到螺栓的疲勞損傷；徐亞洲等[12]采用有限元方法且結(jié)合螺栓試件疲勞試驗和斷口掃描結(jié)果，建立了Q235高強螺栓單面連接微動疲勞壽命數(shù)值預(yù)測模型，探討了螺栓預(yù)拉力和接觸面摩擦系數(shù)對螺栓疲勞壽命的影響；趙強等[13]針對35CrMo鋼螺栓斷裂，采用螺栓斷口分析等試驗方法，揭示了螺栓斷裂為疲勞破壞，疲勞裂紋起源于螺紋根部；楊國法等[14]基于斷口形貌、金相檢驗等試驗手段，針對某風(fēng)機基座螺栓斷裂失效進行分析，揭示了螺栓斷裂原因為單向彎曲疲勞斷裂；楊旭等[15]針對螺栓球節(jié)點網(wǎng)架用10.9級M22高強度螺栓進行常幅疲勞試驗，選取典型螺栓試件疲勞斷口進行宏觀和微觀斷口分析，揭示了螺栓試件疲勞破壞機理。

《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[16](DL/T 5457-2012)10.2.4條及條文說明：構(gòu)架避雷針等設(shè)計應(yīng)進行構(gòu)件及連接計算，其最大設(shè)計應(yīng)力值不宜大于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB 50017-2017)規(guī)定的鋼材強度設(shè)計值的80%；對于避雷針等承受反復(fù)交變荷載的構(gòu)件疲勞驗算按極限強度驗算，按1類構(gòu)件取折算應(yīng)力幅為最大應(yīng)力的150%.GB 50017-2017中16.2.5條規(guī)定，直接承受動力荷載重復(fù)作用的高強度螺栓連接，其疲勞計算應(yīng)符合下列原則：抗剪摩擦型連接可不進行疲勞驗算。由上述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程條文可知：

1) 端板高強螺栓連接規(guī)定僅限于靜力性能，對其疲勞性能驗算并未作出詳細規(guī)定；

2) 不同規(guī)范計算應(yīng)力幅的選取不一致；

3) 高強螺栓連接的疲勞驗算無法定量考慮端板連接構(gòu)造的影響。

綜上所述，當(dāng)前螺栓研究主要側(cè)重于數(shù)值模擬及少量試驗研究中，而對端板連接用高強螺栓的疲勞性能研究缺乏，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程對高強螺栓的疲勞性能未做明確條文規(guī)定，制約了高強螺栓在實際工程應(yīng)用和推廣。為此，本文針對8.8級M24高強螺栓進行常幅疲勞試驗，擬合相關(guān)S-N曲線，并與GB 50017-2017的相關(guān)公式計算結(jié)果進行對比，為端板連接高強螺栓疲勞性能分析提供參考。

1 試件及加載裝置

1.1 試件規(guī)格選取和數(shù)量確定

基于既有工程失效案例和試驗?zāi)康?，選取DL/T 5457-2012中規(guī)格為8.8級M24高強螺栓作為試驗對象，其化學(xué)成分、機械性能和尺寸公差符合國家現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

《螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗方法》[18]GB/T 13682-926.4條規(guī)定：用升降法測定條件疲勞極限，通常每組取14個試件；《Eurocode 3:Design of Steel Structures》Part 1-9:FATIGUE規(guī)定，基于統(tǒng)計分析，疲勞試件的試驗數(shù)量不低于10個。參考上述規(guī)定，本次常幅疲勞試驗的試件個數(shù)為15個。另外，參考《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[19]GB/T 3098.1-2010，選取了3個試件用于靜力材性試驗。

1.2 試件材性試驗

由試件產(chǎn)品說明書可知，高強螺栓試件材質(zhì)為35 K，性能等級為8.8級。根據(jù)GB/T 3098.1-2010進行靜力拉伸試驗，得到8.8級M24高強螺栓的力學(xué)性能參數(shù)，其主要材性試驗結(jié)果見表1。

表1 螺栓力學(xué)性能試驗指標(biāo)Table 1 Test indexes of mechanical properties of bolts

1.3 試驗加載裝置設(shè)計及加工

在查詢國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套加載裝置，完全可以滿足本次螺栓靜力和常幅疲勞試驗，其加載裝置設(shè)計見圖1。由于在加工制作過程中，上、下加載頭對中偏差及接觸端部平整度不滿足MTS疲勞試驗機的要求，故對上述加載裝置進行了二次車床加工，見圖2。

1.4 試驗設(shè)備

本次常幅疲勞試驗主要設(shè)備為MTS LANDMARK 370.50試驗機(見圖3)和DASP動態(tài)應(yīng)變采集儀。MTS試驗機采用力控制加載，加載波形為等幅正弦波，試驗機最大加載頻率為100 Hz.另外，在試驗過程中，螺栓試件螺桿處環(huán)向布置2個單向應(yīng)變片(見圖4)，間隔180°，保證試驗全過程監(jiān)測螺栓試件應(yīng)變和應(yīng)力變化。

圖3 試驗加載Fig.3 Test loading

圖4 螺栓試件Fig.4 Bolt specimen

2 疲勞試驗加載制度

本文主要通過軸向拉伸試驗獲取試件發(fā)生疲勞破壞時的一系列數(shù)據(jù)點，以此建立反映8.8級M24高強螺栓常幅疲勞性能的S-N曲線。為得到該螺栓試件的S-N曲線，需要制定符合工程實際的加載制度，具體制度如下。

2.1 應(yīng)力比

DL/T 5457-2012中10.2.4條：構(gòu)架避雷針等設(shè)計應(yīng)進行構(gòu)件及連接計算，其最大設(shè)計應(yīng)力值不宜大于GB 50017-2017規(guī)定材料強度設(shè)計值的0.8倍。結(jié)合相關(guān)文獻和實際設(shè)計應(yīng)力比控制等因素，偏于安全考慮，本次疲勞試驗應(yīng)力比取值R=0.8(室溫)。

2.2 預(yù)拉力

由GB 50017-2017中11.4節(jié)可知：高強螺栓在靜力驗算和施工過程中并未考慮初始預(yù)拉力，僅高強螺栓摩擦型和承壓型連接給出了相關(guān)的預(yù)拉力建議值。DL/T 5457-2012中7.3.6條指出：主要承受沿螺栓桿軸方向拉力的螺栓，宜采用鉆成孔螺栓，其中包括8.8級高強螺栓。上述相關(guān)規(guī)定均未指明預(yù)拉力對高強螺栓疲勞性能的影響，為了探清高強螺栓預(yù)拉力大小對其常幅疲勞性能的影響，在本次試驗加載制度中考慮預(yù)拉力因素，其加載扭矩大小為180～370 N·m，按等差數(shù)值10 N·m間隔設(shè)置。

2.3 交變荷載和加載頻率

考慮到MTS試驗機加載能力，確保循環(huán)加載過程中試件安全運行，本次疲勞試驗加載荷載最大值不超過允許限值的0.6倍。在荷載輸入時，需確定試驗全過程中的最大荷載和最小荷載，其中最大或最小荷載包括螺栓的初始預(yù)拉力。

GB/T 13682-92中5.1.3條規(guī)定：試驗頻率應(yīng)在4.2～250 Hz范圍內(nèi)，載荷應(yīng)按正弦規(guī)律變化?？紤]到本次試驗加載裝置固有頻率和試驗儀器限值等因素，經(jīng)多次調(diào)試后，確定疲勞加載頻率為7 Hz.

2.4 加載制度

疲勞試驗中的應(yīng)力水平包括最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin兩個指標(biāo)，在確定應(yīng)力比的前提下，應(yīng)力水平可以用應(yīng)力幅表示。目前規(guī)范中常采用應(yīng)力幅或等效應(yīng)力幅進行計算，而實際試驗中采用最大應(yīng)力和最小應(yīng)力進行試驗。本次加載制度中螺栓試件對應(yīng)的應(yīng)力水平基于其公稱直徑計算，非螺栓疲勞斷裂測得應(yīng)力。另外，基于已有螺栓疲勞試驗的經(jīng)驗和MTS儀器加載位移曲線幅值變化規(guī)律，忽略試件疲勞斷裂對應(yīng)循環(huán)次數(shù)的影響。

應(yīng)力水平直接影響試件破壞的荷載循環(huán)次數(shù)，一般情況，應(yīng)力水平較低時，試件的循環(huán)次數(shù)較大，反之相反。對于結(jié)構(gòu)用連接材料的疲勞試驗，需要獲取試件在2×106次內(nèi)的循環(huán)荷載對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合已有文獻可確定試驗應(yīng)力水平范圍，制定原則如下：

1) 為了獲取較為完整的S-N曲線，本次疲勞試驗的應(yīng)力水平分為3個檔次，即低應(yīng)力幅、中應(yīng)力幅和高應(yīng)力幅，對應(yīng)的每個應(yīng)力幅分級的試件數(shù)量宜不小于4個；其中加載應(yīng)力幅檔次的劃分主要取決于試驗加載設(shè)備允許限值、疲勞試驗周期長、疲勞試驗數(shù)據(jù)點均勻化等因素；

2) 應(yīng)力水平采用等值間隔劃分；

3) 疲勞試驗的最高應(yīng)力水平需結(jié)合現(xiàn)有試驗設(shè)備條件、試驗?zāi)康暮筒牧系那姸染C合確定，最低應(yīng)力水平由應(yīng)力比得出。

基于上述原則，本次高強螺栓試件常幅疲勞加載制度詳見表2。螺栓常幅疲勞試驗進行前，先施加指定預(yù)拉力，待螺栓栓桿兩側(cè)應(yīng)變所測數(shù)值相差小于5%，方可正式進行常幅疲勞加載。

表2 M24高強螺栓常幅疲勞試驗結(jié)果Table 2 Results of constant amplitude fatigue test for M24 high-strength bolts

3 試驗結(jié)果及現(xiàn)象

3.1 疲勞試驗結(jié)果

本次試驗的重要環(huán)節(jié)是每隔半小時記錄試件的應(yīng)力水平和對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。試驗過程中，高強螺栓疲勞失效基于試件完全斷裂為準(zhǔn)則。

試件發(fā)生疲勞斷裂時，加載儀器MTS同時自動終止，記錄試件發(fā)生疲勞失效對應(yīng)的破壞循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力水平(見表2)。在低應(yīng)力幅水平范圍內(nèi)，若試件循環(huán)次數(shù)超過2×106次仍不發(fā)生疲勞斷裂，此時調(diào)整疲勞應(yīng)力幅，繼續(xù)進行疲勞試驗，直至試件發(fā)生疲勞失效。

基于上述原則，以疲勞試驗加載應(yīng)力幅為縱坐標(biāo)，循環(huán)破壞次數(shù)為橫坐標(biāo)，得出試件應(yīng)力幅與循環(huán)破壞次數(shù)對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，試件的循環(huán)破壞次數(shù)整體上與應(yīng)力幅加載成反比，即試件的加載應(yīng)力幅越大，則循環(huán)破壞次數(shù)越低。其中M24-0.8-12試件為變幅疲勞失效，統(tǒng)計分析時僅考慮初始應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

圖5 Δσ-N曲線Fig.5 Δσ-N curve

3.2 試驗現(xiàn)象和疲勞斷口分析

由圖6可見，本次所有試件疲勞斷裂破壞處均位于螺栓螺紋齒根處。這是由于該處截面變化較大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生疲勞破壞。圖7為M24-0.8-2高強螺栓名義應(yīng)力幅為110 MPa試件的疲勞斷口。由圖7(a)宏觀斷口可知：該試件疲勞斷口包括3個區(qū)域，即疲勞源、疲勞擴展區(qū)(又分為穩(wěn)定擴展區(qū)和快速擴展區(qū))和瞬斷區(qū)；疲勞擴展區(qū)呈現(xiàn)半圓狀，平整光滑，顏色發(fā)暗，為疲勞裂紋不斷擴展導(dǎo)致；疲勞瞬斷區(qū)光亮粗糙，為試件快速失效時的拉斷區(qū)域；斷口呈現(xiàn)多條棘輪花樣，形成數(shù)個疲勞臺階，推理得出為多點疲勞源，隨著疲勞裂紋的擴展，多點疲勞源逐漸匯交形成線狀疲勞源。

圖7(b)為典型疲勞源區(qū)處500倍的微觀圖，可以明顯看到圖中棘輪花樣和疲勞臺階，顯示該處存在1處疲勞源；圖7(c)中為疲勞穩(wěn)定擴展區(qū)500倍的微觀圖，擴展區(qū)域平整光滑，個別地方形成韌窩；圖7(d)中為疲勞不穩(wěn)定擴展區(qū)500倍的微觀圖，擴展區(qū)域較為粗糙，且韌窩大量出現(xiàn)；圖7(e)中為疲勞瞬斷區(qū)55倍的微觀圖，斷口表面粗糙不平且起伏較大，撕裂狀明顯；圖7(f)中為疲勞瞬斷區(qū)1 000倍的微觀圖，局部區(qū)域可見細小韌窩。

由試件宏觀和微觀斷口分析可知：該試件疲勞破壞起源于螺栓螺紋齒根表面處，由螺紋齒根處向兩側(cè)環(huán)向和徑向同時擴展，裂紋環(huán)向擴展速率高于徑向擴展。隨著螺栓試件有效截面逐漸減少，斷面峰值應(yīng)力不斷增加，最后試件剩余截面不足以承受外部施加交變荷載，瞬時拉斷，此時試件破壞對應(yīng)裂紋沿著螺栓徑向快速開展。

圖6 試件疲勞破壞Fig.6 Fatigue failure of specimens

圖7 疲勞斷口Fig.7 Fatigue fracture

3.3 S-N曲線

根據(jù)上述常幅疲勞實驗結(jié)果，由最小二乘法擬合疲勞壽命曲線表達式：

lg(Δσ)=algN+b.

(1)

式中：Δσ為正應(yīng)力幅；a，b與材料、應(yīng)力比及加載形式等有關(guān)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合確定。

當(dāng)采用95%保證率時，相應(yīng)的計算公式為：

lg(Δσ)=algN+b-1.645s.

(2)

式中：s為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

擬合后的S-N曲線見圖8，由圖8可知，lg(Δσ)和lgN線性相關(guān)程度良好。

由公式(2)計算可得應(yīng)力比為0.8時，高強螺栓疲勞循環(huán)次數(shù)2×106次對應(yīng)允許名義應(yīng)力幅[Δσ]2×106=67.61 MPa.

圖8 實驗lg(Δσ)-lg(N)曲線Fig.8 Experimental lg(Δσ)-lg(N) curve

GB 50017-2017規(guī)定疲勞計算采用基于名義應(yīng)力的容許應(yīng)力幅法，名義應(yīng)力按彈性狀態(tài)計算，容許應(yīng)力幅按構(gòu)件和連接類別、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及計算部位的板件厚度確定。正應(yīng)力幅的疲勞計算式為：

(3)

式中：[Δσ]為常幅疲勞的容許正應(yīng)力幅，對于非焊接部位：Δσ=σmax-0.7σmin.由GB 50017-2017可知：螺栓按連接類別Z11考慮，具體疲勞細節(jié)Cz=0.25×1012，βz=3，γt=1.0.代入公式(3)，可得疲勞計算公式如下：

(4)

由公式(4)可知，螺栓對應(yīng)2×106次允許名義應(yīng)力幅[Δσ]2×106=50 MPa.對比試驗結(jié)果(見圖9)，試驗對應(yīng)允許名義應(yīng)力幅為標(biāo)準(zhǔn)建議值的1.35倍。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)與試驗對比S-N曲線Fig.9 Comparison of standard and test S-N curves

4 結(jié)論

通過試驗研究15個8.8級M24高強螺栓常幅加載的疲勞性能，可以得出如下結(jié)論：

1) 在試件應(yīng)力比設(shè)置為臨界值的前提下，M24高強螺栓試件疲勞試驗結(jié)果表明，試件疲勞破壞循環(huán)次數(shù)離散性較大，其疲勞壽命整體上與加載常幅疲勞應(yīng)力幅成反比；常幅疲勞試驗試件加載最大應(yīng)力僅占試件靜力實測屈服強度的0.24倍～0.45倍，但其對應(yīng)疲勞循環(huán)次數(shù)相差甚大，兩者最大相差約30倍；

2) 典型高強螺栓M24-0.8-2試件斷口分析表明，螺栓疲勞破壞起源于螺紋齒根處，疲勞破壞由多點源逐步形成線源，隨后沿兩側(cè)環(huán)向和徑向逐步擴展，環(huán)向擴展速率高于徑向擴展速率；

3) 根據(jù)疲勞試驗擬合結(jié)果并按95%保證率得出的S-N曲線表達式可知，8.8級M24高強螺栓在N=2×106次的疲勞強度為67.61 MPa，而按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017-2017查的相應(yīng)疲勞強度為50 MPa.相比標(biāo)準(zhǔn)建議值，試驗所得2×106次對應(yīng)疲勞強度為其1.35倍。