螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高強螺栓連接疲勞性能的理論與試驗研究.pdf

1、螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)型式之一，其應用的范圍及數(shù)量均居國內(nèi)外首位。懸掛吊車的往復交變作用將帶來工業(yè)建筑領域的螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞問題。螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞涉及到桿件、錐頭、封板、螺栓球以及高強度螺栓連接的疲勞，而后者是疲勞破壞的關鍵所在。由于理論及試驗研究甚少，目前國內(nèi)外相關規(guī)范中亟待建立其疲勞設計方法。否則，設計人員無據(jù)可依，嚴重制約其在帶懸掛吊車工業(yè)建筑領域的大規(guī)模應用。本文依托國家自然科學基金項目(599080

2、05，50678109)的資助，重點對螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接的疲勞性能進行理論與試驗研究。本文的研究內(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40cr制M14、M20、M24、M30、M33、M39、M52、M60共8種高強度螺栓連接為對象，采用20節(jié)點的SOLID95單元進行實體建模，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。首次建立了高強度螺栓連

3、接的應力集中系數(shù)及疲勞缺口系數(shù)的計算公式，后者數(shù)值區(qū)間為4.35-4.89。該結(jié)論揭示了應力集中和疲勞源的關系，解釋了高強度螺栓連接疲勞強度極低的原因，奠定了以熱點應力或熱點應力幅為參量建立疲勞設計方法的理論基礎。 2、自行設計了一套高效、平穩(wěn)的加荷裝置，與瑞士進口的AMSLER疲勞試驗機相配合，完成了M20、M30兩種規(guī)格共32個高強度螺栓連接的常幅疲勞性能試驗。得到了19個有效破壞點，9個超過2百萬次的未破壞點，4個異常破壞

4、點。收集了國內(nèi)35個常幅試驗數(shù)據(jù)，其中33個有效破壞點，2個超過2百萬次的未破壞點。將本文與國內(nèi)共有的52個有效試驗數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計分析，得到了S-N曲線斜線段部分的方程。借助本文與國內(nèi)共有的11個未破壞試驗數(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曲線為國內(nèi)外相對具有代表性和通用性的高強度螺栓連接疲勞曲線。 3、依據(jù)該S-N曲線，分別以名義應力σmax、熱點應力σh、名義應力幅△σ、熱點應力幅△σh為設計參量，

5、建立了螺栓球節(jié)點網(wǎng)架高強度螺栓連接的常幅疲勞設計方法。若以N=2×106為基準期，則[σp0]=46.0MPa。[σp0h]=200Mpa， [△σ]=34 Mpa，[△σh]148 Mpa。高強度螺栓的疲勞強度僅相當于其屈服強度的5.1％，抗拉極限強度的4.6％，抗拉強度設計值的10.7％。并提出將高強度螺栓連接增補為《鋼結(jié)構(gòu)設計規(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的同時，

6、針對M20、M30兩種規(guī)格共21個高強度螺栓連接疲勞試件，進行了“低→高"、“高→低”、“低→高→低”、“高→低→高”以及“隨機性程序塊”五種典型加載模式下的變幅疲勞性能試驗，成功得到了21個有效破壞點。該項試驗研究在國內(nèi)外尚屬首次。根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù)，應用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值的離散性遠小于前者，表明了高強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、借助疲勞試驗得到了40個典型的疲勞斷口，其中M20常幅疲勞斷口12個，變幅疲勞斷口8個；M30常幅疲勞斷口10個，變幅疲勞斷口10個。借助放大鏡、電子顯微鏡，針對疲勞斷口進行金相分析，揭示了高強度螺栓連接的常幅及變幅疲勞破壞機理。疲勞斷口均呈現(xiàn)疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)三個區(qū)域特征，而變幅疲勞斷口的隨機性遠大于常幅疲勞斷口。 6、應用斷裂力學的方法，估算40Cr制M20、M30高強度螺栓連接的常幅疲勞壽命