第 卷 第 期 年 月 科 学 技 术 与 工 程 "#$ %& %& 建筑技术 高强螺栓球节点常幅疲劳性能试验研究及计算 杨 旭 雷宏刚 太原理工大学建筑与土木工程学院 太原 摘 要 对螺栓球节点网架中高强螺栓的常幅疲劳性能展开了相关的理论与试验研究 利用稳定 可靠的疲劳试验加载装置和 *.& 疲劳试验机对高强螺栓的疲劳性能进行试验 并将试验结果与国内相似研究成果进行对比分析 得出了合理的高强螺栓球节点常幅疲劳设计方法 研究结果可为高强螺栓球网架的设计及疲劳验算提供参考 关键词 高强螺栓球 疲劳试验 双边加载 #( 曲线中图法分类号 @ 文献标志码 * 整个螺栓球节点网架结构在工程应用过程 其薄弱点往往位于高强螺栓连接处 高强螺栓连接的疲劳破坏直接影响整个螺栓球节点网架的安全性能 对于高强螺栓连接疲劳性能的研究对节点网架结构的工程应用十分关键 本文对高强螺栓连接的常幅疲劳性能进行试验 目的是获得高强螺栓的 # ( 曲线 从而找出基于高强螺栓常幅疲劳的合理设计方法 相关规范规定 需 组以上试验数据才能合理构造高强螺栓连接的 #( 曲线 其中 组用于倾斜段 组用于水平段 因此 本研究选取了螺栓球节点网架中高强螺栓连接常用的 ) 和 ) 高强螺栓总计 个样本进行常幅疲劳试验 并以 ) 高强螺栓作为加荷传力试件 试验设计 疲劳试件的设计高强螺栓连接的疲劳试验中所用螺栓球 ( ( 的规格如图 所示 由于试验过程易造成螺栓球的丝扣损伤问题 每组螺栓球上均设置有三对螺栓丝扣以提高试件的利用率 规 ) 和 ) 高强螺栓试件的材质均为 性能等级为 试验加载装置 疲劳试验的疲劳加载装置的合理性十分关键 由于网架中所有杆件均采用轴力构件的设计 本研究拟 年 月 日收到国家自然科学基金项目 资助第一作者简介 杨 旭 男 博士研究生 研究方向 钢结构疲劳 %.## #0. 通信作者简介 雷宏刚 男 教授 博士生导师 研究方向 钢结构疲劳 %.# #0. 图 螺栓球试件 (4&. 采用瑞士 *.& 轴向疲劳机进行试验 采用圆频率 &. 具体的加载装置示意图如图 所示 试验采用双边加载 在横梁的两端固定有 ) 高强度螺栓支座 并利用螺栓球将螺栓进行连接 本装置实现了不同规格的多个螺栓同时进行疲劳循环试验 试验内容 静载破坏试验本研究对 个 ) 高强螺栓进行了静载拉伸以确定疲劳试验的加载等级 常幅疲劳试验本研究采用常幅疲劳试验装置分别对 个高
科 学 技 术 与 工 程 卷 强螺栓试件进行加载 加载装置每次可实现对多个 ) 和 ) 高强螺栓进行加载 ) 高强螺栓作为加荷传力试件 疲劳破坏的次序依次为 ) 高强螺栓 ) 高强螺栓 ) 高强螺栓 且规律性较强 ( 试验结果 图 双边加载装置 7$ #$;.4 ( 静载试验结果高强螺栓的静力性能试验结果见表 其各项力学性能指标均满足标准要求 ( 常幅疲劳试验结果 ) 与 ) 高强螺栓的疲劳试验数据见表 表 高强螺栓静力试验结果 $$$$#$"#$#$$ 试样强度 )# 伸长率收缩率编号 名称 E E 高强螺栓 ) 高强螺栓 ) 高强螺栓 ) 序号 表 本文试验所得高强螺栓连接常幅疲劳试验数据 $$$"$$$#$"#$#$$$$# 高强螺 栓的规格 ) ) 应力 )# 应力幅 )# 循环次数.#. ( ( 应力比
"期 杨#旭$等&高强螺栓球节点常幅疲劳性能试验研究及计算 C& ##在发生疲劳破坏前$ 有部分高强螺栓的应力循 环数已超过 $ m% " 次$ 这部分高强螺栓的试验数据 @曲线的水平段曲线$ 由试 可用于确定高强螺栓? 验结果可以看出$ 符合此条件的试件总共有九个 @曲线倾斜部分时$ 发现部分数据有 本文在确定? 异常$并剔除 号( 号($ 号和 $( 号四个存在异 常的数据 A"结果分析 A;"常幅疲劳试验数据的回归分析 通过对表 $ 所示的试验数据进行回归分析得出 高强螺栓连接的常幅疲劳? @曲线如图 > J图 " 所 @曲线斜线部分方 示 其中$图 ((图 " 所对应的? 程如式"# (式"$# 所示 图 (#本文试验数据的双对数回归曲线 < (#W 0F S 6. 0 X X 图 "#本文试验数据的双对数回归曲线 图 >#本文试验数据的乘幂回归曲线 < "#W 0F S < >#7Z X... S 6. 0 X X 6. 0 X X ) )FZ* $ &%" "" ( A]? @ " G%% ( $"%C $ " %)# B%G "$# A"% ( % ) %)* $ &%" "(C A] A;#"国内主要常幅疲劳试验数据的回归比较分析 通过对国内相关论文中共 ($ 个有效的疲劳试 验数据分别进行乘幂和双对数回归分析$ 高强螺栓 @曲线如图 & J图 % 所示 图 C(图 % 对应的 的?? @曲线斜线部分方程如式"># (式"G# 所示 高强螺栓连接的? @ " C" > $& ( )FZ B%C&> & 图 G#本文试验数据的乘幂回归曲线 < G#7Z X... S 6. 0 X X 高强螺栓的? @ "G( C $ "& C )FZ q%g&c " "# A"% "% $ "># A"% "CC >% ) )FZ* $ &%" "(% & A] 高强螺栓连接?
C 科#学#技#术#与#工#程 " 卷 图 &#国内主要常幅疲劳试验数据的乘幂回归曲线 图 %#国内主要常幅疲劳试验数据的双对数回归曲线 < Z X... S 6 F < %#W 0F S 6 F F.. FX S6 S- 6 F.. FX S6 S- 6 法$用于工程设计中对螺栓球节点网架进行疲劳性 能的分析和验算 G > #允许应力法 允许应力法包括允许名义应力法和允许热点应 力法 允许名义 应 力 法 以 )FZ 为 设 计 参 量$ 验 算 公 式为 C "(# )FZ ) ) * 图 #国内主要常幅疲劳试验数据的乘幂回归曲线 < #7Z X... S 6 F F.. FX S6 S- 6 图 C#国内主要常幅疲劳试验数据的双对数回归曲线 < C#W 0F S 6 F F.. FX S6 S- 6 @ "% G>( $ G&" " %)# B% & "G# A"% GC G% ) %)* $ &%" ">GGG A] A;@"高强螺栓球节点常幅疲劳的设计方法 本文建立了合理的高强螺栓常幅疲劳计算方 ) )%C* ""# ) )C* " D 式中& )FZ为高强度螺栓连接每次应力循环中的最 大拉应力$A] % ) )C* 为允许疲劳强度$A] %) )%C* % 为应力比 为 [% 时对应的允许疲劳强度$A] 影响系数 通过分析应力比 对疲劳强度的影响 )C* $ 得出 [ %>$ 本研究近似取为 %$ 说明高强螺栓螺纹 根部的几何应力集中严重$ 的影响作用有限$可以 忽略不计 公式"(# (式""# 可简化为式"&# G" "&# )FZ 允许热点应力法以热点应力 )0 作为设计参量$ 将公式"&# 两边各乘以疲劳缺口系数 T$ 高强螺栓 T的数值区间为 G>( JGC 之间$ 从结构安全角 度$ T取最小值 G >( $%% "# )0 "T)FZ G > $#允许应力幅法 允许应力幅法包括允许名义应力幅法和允许热 点应力幅法 允许名义应力幅法以 %)作为设计参量$ 验算 公式& "C# %) ) %)* ) %)* " 6 "%# @ ( )
期 杨 旭 等 高强螺栓球节点常幅疲劳性能试验研究及计算 高强螺栓连接计算处的名义应力幅 的选取 依据规范第 条规定 对非焊接部位为折算应力幅.#. 而本文依据试验结果认为将 更改为 更为准确合理 即改为.#. 为高强螺栓连接的允许应力幅 )# 若以 ( 为基准期 则由公式 得知 )# ( 为循环次数 $ 为 $ 由公式 分别取 和 允许热点应力幅法以 作为设计参量 本文取 6 最小值 若以 ( 为基准期 则 )# 6 结论 通过试验结果可知 高强螺栓球节点以应力幅作为设计参量所建立的允许应力幅法更加合理可靠 其中以热点应力幅作为设计参量的允许应力幅法更能够准确反映出疲劳源区的应力状态 试验中 高强螺栓的疲劳强度分别为其屈服强度 极限强度 抗拉设计强度的 EE 和 E 本文认为 螺栓球节点网架在悬挂吊车荷载作用下的疲劳性能必须进行相应的计算以验证 钢结构设计规范 ( 表 第八类构件和连接类别的 )# 本文由试验得出 )# 通过研究 笔者建议有必要将高强螺栓连接增补为 钢结构设计规范 ( 表 中的第九类 参考文献 试验方法 # *#$." 6)#&" #$ " ( *# #$ 6#4446&4&#$$ 64& 雷宏刚 闫亚杰 刘丽君 等 螺栓球节点网架疲劳实验装置的优化设计 钢结构 增刊 # # #?? %&C4.#4 $ 6 46#444$644&?44 4&4 #4.** &.4#4#4 6$6&.#4 #$ 6#4 #&6# &4$?44#<#4 )#? #&# #%&.4# ##4 6 46464&#$ 4 6#4 6644#<&# 6#4 944&#& ;##. 4$6# 4#&6#&# &$ 4&4&&$64 # 6 4&4&# 4 6&.# & 9 &44.4"4.66#4 #$ 4&.6&#&# &$ 4&4&&$64 #6 4&4.&.#& 徐国彬 崔 杰 网架结构疲劳及其疲劳寿命计算 建筑结构学报 A <#46#4& #$ 46#4 6# #4<($4&4& 冯秀娟 林醒山 潘 文 等 在悬挂吊车作用下螺栓球节点网架的疲劳性能 建筑结构学报 A?# A# # - %#&6 #&$ 74 4&?4$&$$ &# #$ <($4&4& 雷宏刚 螺栓球节点网架常幅疲劳试验数据再分析 钢结构 增刊 #*#"6&.##. 4$6#444$#4#64 &?444&4 中华人民共和国建设部 ( 钢结构设计规范 )4&"64&4 64 6#( $6&$ 644&4& 机械科学研究总院 ( 螺纹紧固件轴向载荷疲劳 6#$$$$0$$" $#$$#7$ *A %# 6*&44&#$ %&#"# @&4"6"#"# # $#$&#& 6#4&&4"6) 4&4 4 &$ 4&4&74 4&?47# #&$ 4*.&6#444$74 4# #$ &# &6&.#7#$ 6&4446#4 &&4"64&4 4("$4.###"47 44& 4#$.$.4 $ & 4 4&## 4#46#4$.4$ 64&4 4# &#$&#& & 4# &$64&6&6&4$ #$ 6#4# #4 64&4 4 #4&4 46#444#4&# #$#(&