裝配式鋼結構建筑中M24高強度螺栓常幅疲勞設計方法的建立

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）

裝配式鋼結構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致的事故層出不窮，嚴重制約裝配式鋼結構的發(fā)展［1］。國內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據，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，建立相應的S-N曲線，通過允許應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個有效試驗數據，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拉力，對于國產鋼結構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，建立其疲勞設計方法，為裝配式鋼結構建筑的推廣應用提供設計參考。

1 試驗概況

1.1 M24高強度螺栓連接副

試驗采用國產M24鋼結構用高強度大六角頭螺栓連接副，規(guī)格為M24×100，產品質量滿足現行國家標準 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，本試驗設計了可以實現高強螺栓受拉連接的夾具，詳見圖1（a）-（d），材質為 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高強度螺栓的應力-應變曲線見圖2.

表2 靜力試驗結果Table 2 Static test results

圖2 M24高強度螺栓應力-應變曲線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，應力比為0.64.高強度螺栓施加的初始預拉力扭矩值為200～300N·m，疲勞試驗的最高應力水平根據試件屈服強度確定，通過變化應力幅共進行了14個M24高強度螺栓的常幅疲勞試驗，試驗數據詳見表3.

圖3 試驗裝置Fig.3 Test unit

表3 常幅疲勞試驗結果Table 3 Fatigue test results

2 試驗結果分析

2.1 疲勞斷口分析

根據斷裂試樣分析，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力水平較低，σmax在400MPa以下，疲勞破壞累積循環(huán)次數為1.3×106，斷口較為平整光滑，疲勞源在螺栓的一側，并向另一側擴展，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論：1）應力水平越高，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，構件表面發(fā)生了尺寸突變，會導致嚴重的應力集中，從而產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 常幅疲勞試驗數據的回歸分析

通過對表3所示的試驗數據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曲線對應的方程式如式（1）、式（2）所示。

圖10中S-N曲線方程：

相關系數：

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：

相關系數：

2.3 M24常幅疲勞設計方法的建立

以Δσ為設計參量，驗算公式為：

式中：Δσ為高強螺栓連接計算處的名義應力幅，MPa；［Δσ］為高強螺栓連接的容許應力幅，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；C、β為參數，根據公式（2）分別取66.83×1012、3.722.

3 結論

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)現高強度螺栓常幅疲勞破壞均產生于螺桿與螺母咬合處外露的第一個螺紋牙底處。應力水平越高，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）根據允許應力幅法建立疲勞設計方法，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《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）［13］表16.2.1-1中的Z5類。