張 健，黃文鵬，周子淳，雷宏剛

（太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)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(tái)，然而由于高強(qiáng)度螺栓疲勞破壞導(dǎo)致的事故層出不窮，嚴(yán)重制約裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展［1］。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此展開一系列試驗(yàn)和理論研究，馮秀娟等［2］對(duì)12根螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架桿件和12個(gè)懸掛吊點(diǎn)試件進(jìn)行了常幅疲勞試驗(yàn)，得到了高強(qiáng)度螺栓規(guī)格為M24和M33的21組有效常幅疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得了S-N曲線并建立了驗(yàn)算公式。閆亞杰等［3］完成了 M20和 M30共32個(gè)高強(qiáng)螺栓連接的常幅疲勞試驗(yàn)，得到了19個(gè)有效破壞點(diǎn)，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(yàn)算方法。雷宏剛等［4］對(duì)M20、M30兩種規(guī)格共21個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接疲勞試件進(jìn)行了5種隨機(jī)性程序塊的加載，得到21個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立了基于累計(jì)損傷理論的變幅疲勞壽命估算方法。D’ANIELLO et al［5］對(duì)歐洲GR10.9螺栓組件進(jìn)行了單調(diào)拉伸試驗(yàn)、變幅和恒幅疲勞試驗(yàn)。NODA et al［6］研究了螺距差對(duì)螺栓連接抗松動(dòng)性能和疲勞壽命的影響，提出了提高防松動(dòng)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(qiáng)螺栓和歐洲標(biāo)準(zhǔn)螺栓的疲勞性能，其中螺栓不要求施加的預(yù)拉力，對(duì)于國產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺栓連接副的疲勞性能鮮有報(bào)道。由于疲勞問題的復(fù)雜性，試驗(yàn)研究尤為重要［7］。為此，本文對(duì)M24高強(qiáng)度大六角頭螺栓的受拉疲勞性能開展了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，建立其疲勞設(shè)計(jì)方法，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 M24高強(qiáng)度螺栓連接副

試驗(yàn)采用國產(chǎn)M24鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn) GB／T 1228-1231-2006［8-11］。每一組高強(qiáng)度螺栓連接副在試驗(yàn)前都對(duì)螺栓螺紋進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保螺紋無任何破壞，從而保證疲勞試驗(yàn)不受螺紋初始損傷的影響。M24高強(qiáng)度螺栓連接副基本性能指標(biāo)見表1.

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

1.2 受拉連接夾具的設(shè)計(jì)

由于疲勞試驗(yàn)機(jī)無法直接夾持高強(qiáng)度螺栓連接副，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(qiáng)焊接，以保證夾具有足夠的靜力與疲勞強(qiáng)度。

1.3 靜力拉伸試驗(yàn)

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

本試驗(yàn)首先隨機(jī)選取3個(gè)M24高強(qiáng)度螺栓連接副進(jìn)行單向靜力拉伸試驗(yàn)，以檢驗(yàn)螺栓的靜力性能并確定合適的疲勞試驗(yàn)加載等級(jí)。表2為靜力試驗(yàn)結(jié)果，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在靜力載荷條件下M24高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2.

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

圖2 M24高強(qiáng)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(yàn)

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

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test unit

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

2 試驗(yàn)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(qiáng)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(gè)螺紋牙底處，說明高強(qiáng)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(qiáng)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(xì)節(jié)，記錄裂紋的萌生、擴(kuò)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(jìn)行了疲勞破壞斷口的宏觀和微觀（包括疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)）金相分析，初步揭示了高強(qiáng)度螺栓的疲勞斷裂機(jī)理。

試樣M24-1宏觀斷口見圖5（a）.M24-1在試驗(yàn)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(kuò)展區(qū)面積比例較小，較快進(jìn)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(qiáng)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(kuò)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(kuò)展速度越快，擴(kuò)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(qiáng)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(kuò)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?？傻貌煌瑧?yīng)力水平下的高強(qiáng)度螺栓斷口微觀形態(tài)有相同特征：1）疲勞源區(qū)有一個(gè)或多個(gè)疲勞源。高強(qiáng)螺栓由于螺紋的存在，構(gòu)件表面發(fā)生了尺寸突變，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生高強(qiáng)螺栓的疲勞源。疲勞源通常以貝紋弧線為起點(diǎn)，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(kuò)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(kuò)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(kuò)展，從而產(chǎn)生多個(gè)疲勞源的斷口，裂紋在疲勞擴(kuò)展區(qū)從不同的疲勞源開始沿著對(duì)各自擴(kuò)展有利的平面擴(kuò)展，當(dāng)在兩個(gè)不同平面上擴(kuò)展的疲勞裂紋相遇時(shí)，以切變和撕裂的方式形成疲勞臺(tái)階，之后逐漸趨向同一平面擴(kuò)展。3）高強(qiáng)度螺栓的常幅疲勞瞬斷區(qū)形貌與疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)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(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析

通過對(duì)表3所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得出高強(qiáng)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(duì)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(jì)方法的建立

以Δσ為設(shè)計(jì)參量，驗(yàn)算公式為：

式中：Δσ為高強(qiáng)螺栓連接計(jì)算處的名義應(yīng)力幅，MPa；［Δσ］為高強(qiáng)螺栓連接的容許應(yīng)力幅，MPa，以N＝2×106為基準(zhǔn)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(yàn)研究3個(gè)M24高強(qiáng)度螺栓的靜力拉伸性能和14個(gè)M24高強(qiáng)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(qiáng)度螺栓靜力性能良好。

2）通過對(duì)M24高強(qiáng)度螺栓試件斷口進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)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(gè)螺紋牙底處。應(yīng)力水平越高，裂紋擴(kuò)展速度越快，擴(kuò)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(jì)方法，可得M24高強(qiáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）［13］表16.2.1-1中的Z5類。