螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接疲勞性能的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)型式之一，其應(yīng)用的范圍及數(shù)量均居國(guó)內(nèi)外首位。懸掛吊車的往復(fù)交變作用將帶來(lái)工業(yè)建筑領(lǐng)域的螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞問題。螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞涉及到桿件、錐頭、封板、螺栓球以及高強(qiáng)度螺栓連接的疲勞，而后者是疲勞破壞的關(guān)鍵所在。由于理論及試驗(yàn)研究甚少，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中亟待建立其疲勞設(shè)計(jì)方法。否則，設(shè)計(jì)人員無(wú)據(jù)可依，嚴(yán)重制約其在帶懸掛吊車工業(yè)建筑領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(599080

2、05，50678109)的資助，重點(diǎn)對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的疲勞性能進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究。本文的研究?jī)?nèi)容、研究方法、研究成果以及創(chuàng)新性概括如下: 1、以ANSYS有限元分析軟件為手段，針對(duì)40cr制M14、M20、M24、M30、M33、M39、M52、M60共8種高強(qiáng)度螺栓連接為對(duì)象，采用20節(jié)點(diǎn)的SOLID95單元進(jìn)行實(shí)體建模，定量探討了螺栓直徑、螺紋升角、螺紋牙根圓角半徑及螺栓球的影響程度。首次建立了高強(qiáng)度螺栓連

3、接的應(yīng)力集中系數(shù)及疲勞缺口系數(shù)的計(jì)算公式，后者數(shù)值區(qū)間為4.35-4.89。該結(jié)論揭示了應(yīng)力集中和疲勞源的關(guān)系，解釋了高強(qiáng)度螺栓連接疲勞強(qiáng)度極低的原因，奠定了以熱點(diǎn)應(yīng)力或熱點(diǎn)應(yīng)力幅為參量建立疲勞設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)。 2、自行設(shè)計(jì)了一套高效、平穩(wěn)的加荷裝置，與瑞士進(jìn)口的AMSLER疲勞試驗(yàn)機(jī)相配合，完成了M20、M30兩種規(guī)格共32個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接的常幅疲勞性能試驗(yàn)。得到了19個(gè)有效破壞點(diǎn)，9個(gè)超過2百萬(wàn)次的未破壞點(diǎn)，4個(gè)異常破壞

4、點(diǎn)。收集了國(guó)內(nèi)35個(gè)常幅試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中33個(gè)有效破壞點(diǎn)，2個(gè)超過2百萬(wàn)次的未破壞點(diǎn)。將本文與國(guó)內(nèi)共有的52個(gè)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)分析，得到了S-N曲線斜線段部分的方程。借助本文與國(guó)內(nèi)共有的11個(gè)未破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了S-N曲線的水平段部分。截至目前，本文得到的S-N曲線為國(guó)內(nèi)外相對(duì)具有代表性和通用性的高強(qiáng)度螺栓連接疲勞曲線。 3、依據(jù)該S-N曲線，分別以名義應(yīng)力σmax、熱點(diǎn)應(yīng)力σh、名義應(yīng)力幅△σ、熱點(diǎn)應(yīng)力幅△σh為設(shè)計(jì)參量，

5、建立了螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架高強(qiáng)度螺栓連接的常幅疲勞設(shè)計(jì)方法。若以N=2×106為基準(zhǔn)期，則[σp0]=46.0MPa。[σp0h]=200Mpa， [△σ]=34 Mpa，[△σh]148 Mpa。高強(qiáng)度螺栓的疲勞強(qiáng)度僅相當(dāng)于其屈服強(qiáng)度的5.1％，抗拉極限強(qiáng)度的4.6％，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的10.7％。并提出將高強(qiáng)度螺栓連接增補(bǔ)為《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)表6.2.3-2中的第九類。 4、在完成常幅疲勞性能試驗(yàn)的同時(shí)，

6、針對(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“低→高"、“高→低”、“低→高→低”、“高→低→高”以及“隨機(jī)性程序塊”五種典型加載模式下的變幅疲勞性能試驗(yàn)，成功得到了21個(gè)有效破壞點(diǎn)。該項(xiàng)試驗(yàn)研究在國(guó)內(nèi)外尚屬首次。根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Miner法則與Corten-Dolan理論分別估算其疲勞壽命，絕大多數(shù)的D值均大于1，后者D值的離散性遠(yuǎn)小于前者，表明了高強(qiáng)度螺栓連接疲勞壽命的估算采用Corten-Dolan理論

7、則更為合理。 5、借助疲勞試驗(yàn)得到了40個(gè)典型的疲勞斷口，其中M20常幅疲勞斷口12個(gè)，變幅疲勞斷口8個(gè)；M30常幅疲勞斷口10個(gè)，變幅疲勞斷口10個(gè)。借助放大鏡、電子顯微鏡，針對(duì)疲勞斷口進(jìn)行金相分析，揭示了高強(qiáng)度螺栓連接的常幅及變幅疲勞破壞機(jī)理。疲勞斷口均呈現(xiàn)疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三個(gè)區(qū)域特征，而變幅疲勞斷口的隨機(jī)性遠(yuǎn)大于常幅疲勞斷口。 6、應(yīng)用斷裂力學(xué)的方法，估算40Cr制M20、M30高強(qiáng)度螺栓連接的常幅疲勞壽命