網架結構螺栓球節點中M39高強度螺栓變幅疲勞性能試驗

馮徐澤，雷宏剛，楊 旭

(太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

作為一種受力良好的結構體系，網架結構具有用鋼量少、剛度大、抗震性好等優勢，在工業建筑領域應用極為廣泛[1]。而節點作為網架結構設計過程中的薄弱環節，其合理性與安全性對結構的性能至關重要。其中螺栓球節點憑借施工便捷、裝卸迅速、連接可靠等優點已成為網架結構首選的連接形式。網架結構通常會設置懸掛吊車，起吊過程的往復運動會對網架結構產生隨機交變荷載，引起螺栓球節點的疲勞問題[2]，疲勞破壞沒有明顯征兆，一旦斷裂往往會造成嚴重事故。由于疲勞壽命的離散性大、影響因素多，只依據理論分析和有限元模擬與實際構件的疲勞性能有一定偏差，所以研究疲勞最有效的方法是進行疲勞試驗[3]。

近年來，許多學者對于常用的高強度螺栓的疲勞問題進行了試驗研究。其中楊旭等[4-5]基于常幅疲勞試驗，獲得了32組M20和M30高強螺栓疲勞破壞數據，與中國已有的疲勞試驗結果對比分析，給出了常幅疲勞的應力-壽命(S-N)曲線，通過疲勞斷口的金相分析，闡述了疲勞破壞特征。邱斌等[6]考慮了螺栓假擰對疲勞性能的影響，通過疲勞試驗建立了相關疲勞計算方法。文獻[7-8]完成了M20、M24以及M39等一系列高強度螺栓的常幅疲勞試驗，擬合出S-N曲線并給出疲勞壽命的表達式，基于Abaqus討論了螺紋種類、螺栓直徑以及螺紋牙底形狀等對高強度螺栓應力集中系數K的影響。焦晉峰等[9]針對銷鉸連接節點，進行了銷鉸連接的M36高強螺栓常幅疲勞試驗，揭示疲勞破壞機理。Hobbs等[10]完成了一系列不同偏心程度下螺栓的疲勞試驗，試驗結果表明偏心荷載會顯著降低螺栓疲勞壽命。Noda等[11]、Majzoobi等[12]考慮了螺距差對螺栓疲勞壽命的影響，借助有限元分析，并通過疲勞試驗加以驗證，給出了提高螺栓疲勞壽命較為合理的螺距差。上述研究均集中在螺栓的常幅疲勞性能方面，考慮了各種因素對疲勞壽命的影響，并建立了較為成熟的螺栓疲勞壽命計算方法。然而對于螺栓變幅疲勞壽命的研究較少，不能反映結構真實受力狀態。雷宏剛等[13]最早基于程序塊加載模式，設計了5種典型加荷方式，針對M20和M30高強度螺栓完成了20組變幅疲勞實試驗，分析對比3種線性損傷法則，修正了疲勞壽命的估算方法。Qiu等[14]針對M30高強度螺栓，完成了4種變幅加載模式下的疲勞試驗，基于Miner法則，推導出了變幅荷載的疲勞壽命計算公式。Ibrahim等[15]利用多級變幅加載疲勞試驗，基于等效損傷原理，推導出了螺栓的疲勞壽命。但是對于更大直徑的高強度螺栓疲勞問題目前研究尚少，缺乏完整的試驗數據，疲勞壽命計算方法也不完善，尤其是變幅疲勞問題，可供參考的資料更少。

實際工程中吊車荷載往往是隨機的，網架結構通常發生變幅疲勞破壞。因此為了研究吊車荷載作用下螺栓球節點的疲勞壽命問題，現選取螺栓球網架結構中常用的M39高強度螺栓，設計7組變幅加載疲勞試驗，基于Miner線性累積損傷法則，對變幅數據折算處理，并與現有的常幅疲勞試驗結果對比分析，探究M39高強度螺栓變幅疲勞破壞特征以及疲勞壽命的計算公式。

1 疲勞試件及加載裝置

1.1 M39高強度螺栓

試件質量和尺寸均滿足現行規范《鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓》(GB/T 16939—2016)的要求，其具體參數如表1所示，實物如圖1所示。試驗前先仔細檢查每根高強度螺栓試件，尤其注意螺紋根部附近有無初始缺陷，特別是裂紋、銹蝕、凸起、磕碰損傷等會嚴重削減試件疲勞壽命的情況。對于有上述缺陷的試件需做好標記，不再用于后續試驗。

表1 M39高強度螺栓試件參數Table 1 Parameters of M39 high strength bolt specimen

圖1 M39高強度螺栓試件Fig.1 M39 high strength bolt specimen

1.2 螺栓球

螺栓球材料為45號鋼，球徑200 mm，其質量滿足《鋼網架結構螺栓球節點》(JG/T 10—2009)的要求。為達到最大限度利用螺栓球、節省鋼材的目的，本次試驗所用的螺栓球上均開三對螺栓孔，每對螺栓孔對稱設置，如圖2所示。

圖2 螺栓球(BS200)Fig.2 Bolt ball(BS200)

1.3 材性試驗

為了解M39高強度螺栓的力學和物理性能，同時為確定變幅疲勞試驗加載的應力水平，故在疲勞試驗開始前，借助WAW-2000電液伺服萬能試驗機，隨機抽取3根螺栓試件完成單向靜拉試驗，試驗結果如表2所示。材性試驗結果的各項數值均達到《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)的要求。

表2 M39高強度螺栓材性試驗Table 2 Material property test of M39high strength bolt

1.4 加載裝置

試驗的加載和數據采集是借助MTSLandmark370.50液壓伺服疲勞試驗機(MTS)以及MTS Test Suite控制軟件來實現的。試驗機可施加的荷載范圍為±500 kN，最大加載頻率100 Hz，液壓夾具的夾緊范圍為25～55 mm，本試驗機的其他參數均符合規范《螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗方法》的規定。具體加載裝置如圖3所示。

圖3 變幅疲勞試驗加載裝置Fig.3 Loading device for variable amplitude fatigue test

實際工程中網架結構主要處于軸向受力狀態，為模擬高強度螺栓真實受力情況，本次試驗加載過程中試件始終保持單向受拉。螺栓球節點試件固定于上下夾具中部，通過上下液壓千斤頂施加循環拉伸荷載。試驗以應力幅為基本參數，加載裝置具有自平衡性，試驗過程安全性較高。

2 變幅疲勞試驗

2.1 加載方案

螺栓球網架結構在承受吊車荷載時，受拉腹桿和下弦桿承受的應力比一般大于0.5[16]。為研究實際工程中腹桿與下弦桿節點處高強度螺栓的疲勞問題，結合MTS疲勞試驗機本身的最大加載限值，確定循環加載下的應力比為0.6。

規范《螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗方法》(GB/T 13682—1992)中要求試驗加載頻率處于4.2～250 Hz。為保證試驗過程平穩加載，同時考慮MTS試驗機的固有頻率，避免產生共振，在正式試驗前進行多次調整，最終確定試件在7 Hz左右的頻率下進行試驗。

2.2 試驗步驟

步驟1試件安裝前，先保證上下加載裝置位于同一垂線上。

步驟2將兩組高強度螺栓試件對稱地擰在螺栓球BS200上下孔位，然后將組裝好的試件安裝于MTS疲勞試驗機上，用上下液壓夾具分別夾緊螺帽。

步驟3調整試件位置，確保上下液壓夾具和中間的試件同軸，對試件施加變幅荷載。

步驟4加載過程中若某一高強螺栓桿件先發生破壞，則立即停止加載并將其卸下，記錄此時的應力循環次數，拍攝疲勞破壞照片。

步驟5將下一根高強螺栓試件擰在發生斷裂的孔位，重新設置應力幅，對新試件組施加下一輪交變荷載，直到高強度螺栓疲勞斷裂，然后重復步驟4和步驟5。

步驟6每過半小時記錄一次應力水平以及對應的循環次數，以螺栓桿發生疲勞斷裂為失效準則，每根高強度螺栓試件斷裂所經歷的總應力循環次數作為該試件的疲勞壽命。

2.3 試驗結果

7組高強度螺栓均發生斷裂，破壞前所經歷的應力幅以及循環次數詳如表3所示。

表3 M39高強度螺栓變幅疲勞試驗結果Table 3 Material property test of M39 high strength bolt

3 斷口分析與結果處理

3.1 斷口形態分析

M39高強度螺栓試件在變幅荷載下，最大應力為455 MPa，遠遠小于螺栓的屈服強度，所以發生的破壞均為疲勞破壞。7組變幅疲勞斷口的位置均在螺栓與螺栓球之間的第一圈嚙合螺紋上，因為高強度螺栓可認為是帶缺口試件，在螺紋處有較大的應力集中效應，導致高應力的存在，所以疲勞破壞均發生于螺紋根部；另外，螺栓球的剛度遠大于螺栓桿，對螺栓有很強的約束作用；除此之外螺栓在加工制造過程中存在螺栓桿與螺栓中軸線不重合等誤差，以及試驗加載過程中可能出現不可避免的初偏心等因素也會導致螺栓與螺栓球之間在第一圈螺紋處應力最大。

試驗選取了某一典型螺栓桿疲勞斷面，對其切片處理并借助掃描電鏡進行疲勞斷口的微觀分析，結果如圖4所示。

從圖4(a)可以看出，該螺栓桿變幅疲勞斷口的端面較為平整，截面可明顯劃分為3個區域。疲勞裂紋的萌生一般發生于螺栓螺紋根部的表面，此斷面疲勞源有多個，位于左上部，并向螺栓內部呈河流狀逐漸擴散。疲勞擴展區位于疲勞源和瞬時斷裂區之間，占比整個截面面積最大，斷面較為光滑平整，顏色發灰，是裂紋在擴展過程中上下表面持續擠壓、摩擦所致。瞬時斷裂區位于疲勞斷口的右上角，占整個截面面積較小，主要特征表現為截面相對粗糙且很不規則。

圖4(b)為疲勞源區100倍的微觀圖，該區表面最為光滑，且有一定光澤，是疲勞破壞開始的征兆。圖4(c)為裂紋擴展區500倍的微觀圖，可觀察到疲勞輝紋，如虛線所示，是交變荷載反復作用下裂紋在擴展過程中產生的痕跡。圖4(d)為瞬時斷裂區1 000倍的微觀圖，可明顯看到若干白色細小的韌窩和大量的粗顆粒，韌窩的存在代表金屬材料發生塑性斷裂，說明本次變幅疲勞破壞具有一定的塑性。

圖4 變幅疲勞斷口照片Fig.4 Photos of variable amplitude fatigue fracture

3.2 等效應力幅的折算

針對變幅疲勞試驗數據的處理，現階段主要采用Miner線性累積損傷法則，對變幅疲勞進行折算。《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[17]中規定，對于變幅疲勞問題，可認為存在某一常幅疲勞破壞與變幅疲勞破壞具有等同的疲勞損傷效應，故可將變幅疲勞問題轉化為同效應的常幅疲勞來分析。

變幅疲勞折算成相同頻次的等效應力幅為

Δσe=

(1)

式(1)中：ni、Δσi分別為應力譜在Δσi≥[Δσ]5×106范圍內的作用次數及應力幅；nj、Δσj分別為應力譜在[ΔσL]1×106≤Δσj<[Δσ]5×106范圍內的作用次數及應力幅；βZ為和構件及連接形式有關的參數，根據規范給出的類別，本試件按照Z11考慮，即受拉螺栓的螺紋處母材，βZ取值為3；[Δσ]5×106為5×106次應力循環時對應的容許正應力幅，同樣按照構件及連接類別選取，[Δσ]5×106取值為37 MPa。

M39高強度螺栓變幅疲勞試驗的最小應力幅為84 MPa，大于上述容許應力幅[Δσ]5×106，故折算公式可簡化為

(2)

根據變幅疲勞試驗所得到的7組數據，通過式(2)進行折算，得到等效應力幅如表4所示。

表4 M39高強度螺栓變幅疲勞試驗等效應力幅Table 4 Equivalent stress amplitude of M39 high strength bolt in variable amplitude fatigue test

3.3 變幅疲勞的S-N曲線

由現行規范和已有的高強螺栓疲勞試驗數據可知，應力循環次數N和應力幅Δσ各取對數值后，兩者成線性相關，即lgN=A+BlgΔσ，該雙對數函數關系稱為應力-壽命曲線關系或S-N曲線。曲線表達式為

lgN=A+BlgΔσ-2s

(3)

式(3)中：A、B分別為待定系數，可通過疲勞試驗數據擬合獲得；s為樣本標準差。

將M39高強度螺栓變幅疲勞數據折算后的等效應力幅Δσe及應力循環次數N分別取對數，繪制出散點圖，經線性擬合后得到S-N曲線如圖5所示。

通過最小二乘法，對上述7組數據進行線性擬合，得出變幅疲勞的S-N曲線為

lgN=11.321 7-2.741 6lg(Δσ)±0.058 7

(4)

相關系數r=-0.996 1，通過式(4)可計算得出，在應力循環次數N達到2×106時，S-N曲線對應的容許應力幅為[Δσ]2×106=67.86 MPa。

試驗結果表明，M39高強度螺栓變幅疲勞壽命與應力幅成反比關系，符合應力幅越大，變幅疲勞壽命呈現減小的趨勢。由圖5及式(4)可知，將螺栓變幅疲勞試驗的應力幅折算成常幅疲勞的應力幅后，數據的線性相關性很好，證明Miner線性累積損傷法則對于分析高強度螺栓的變幅疲勞是有效的。

圖5 M39高強度螺栓變幅疲勞等效應力幅的S-N曲線Fig.5 S-N curve of equivalent amplitude of variable amplitude fatigue for M39 high strength bolt

《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)中給出變幅疲勞正應力幅計算公式為

Δσ≤γt[Δσ]2×106

(5)

式(5)中：γt為直徑修正系數，當螺栓直徑大于30 mm時，γt=(30/d)0.25，d為公稱直徑，mm，對于M39高強度螺栓，γt取值0.937。[Δσ]2×106根據規范中連接形式取值為50 MPa，可計算得出螺栓變幅疲勞的容許應力幅為46.85 MPa。試驗對應的容許應力幅為67.86 MPa，為規范設計值的1.45倍。

將上述折算數據與團隊的M39常幅疲勞試驗結果[16]做對比，如圖6所示。

其中，M39高強度螺栓常幅疲勞試驗擬合的S-N曲線為

lgN=10.851 1-2.513 1lg(Δσ)±0.288 5

(6)

相關系數r=-0.963 9,2×106次應力循環時對應的容許應力幅[Δσ]2×106=64.71 MPa。

由圖6可知，本次螺栓變幅疲勞折算后的S-N曲線和常幅疲勞的S-N曲線斜率差值為4.3%，兩條曲線在斜線段基本一致，且經過折算后所有的等效數據均位于常幅疲勞試驗S-N曲線的兩倍標準差范圍內，離散性很小。本次變幅疲勞的容許應力幅[Δσ]2×106為67.87 MPa，常幅疲勞的容許應力幅[Δσ]2×106為64.71 MPa，兩者差距非常小。故對于M39高強度螺栓變幅疲勞的研究，可以按照常幅疲勞來進行處理，變幅疲勞過程經歷的應力幅可根據規范借助Miner線性累積損傷法則進行等效換算。

圖6 M39高強度螺栓變幅折算數據與常幅試驗對比結果Fig.6 Comparison results between variable amplitude conversion data and constant amplitude test of M39 high strength bolt

4 結論

對網架結構螺栓球節點中M39高強度螺栓進行循環拉伸荷載下的變幅疲勞試驗，針對典型疲勞斷口進行了形貌分析，并對結果做了折算處理，得出以下結論。

(1)根據變幅疲勞試驗擬合得到S-N曲線，M39高強螺栓在200萬次應力循環時對應的變幅疲勞容許應力幅為60.07 MPa，而按照規范中連接類別得到的變幅疲勞容許應力幅為46.85 MPa，試驗所得疲勞強度值為規范建議的1.45倍。

(2)與M39高強螺栓常幅疲勞相比，兩者S-N曲線在斜線段斜率相差4.3%，證明變幅疲勞能夠折算成為等效常幅疲勞來計算。

(3)通過疲勞斷口分析，證明螺栓球節點中高強螺栓發生變幅疲勞破壞的位置通常在螺栓桿與螺栓球之間的第一圈嚙合螺紋上，螺紋根部的應力集中較大是發生疲勞破壞的主要因素。

試驗只設置了兩級加載階段，未能完全模擬出實際工程中網架結構所受到的隨機交變循環荷載。建議后續研究采用程序塊加載方案或者基于隨機變幅的疲勞載荷譜加載方案來進行。