螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結構中高強螺栓的疲勞影響因素分析

雷宏剛，吳謹輝

（太原理工大學，山西 太原 030024）

Lei Honggang，Wu Jinhui

1 引言

螺栓球節(jié)點網(wǎng)架的疲勞問題引起了越來越多學者的關注。筆者通過實驗數(shù)據(jù)得出了高強螺栓S-N曲線，得出的容許應力幅比疲勞規(guī)范對應的容許應力幅的要小，顯然是數(shù)據(jù)的離散性導致這一現(xiàn)象。疲勞是一個非常復雜的問題，文章從應力集中、直徑和加載順序3個方面說明其對螺栓球節(jié)點疲勞強度的影響。

2 應力集中對強螺栓疲勞強度的影響

大量的疲勞破壞事故和試驗研究都表明，疲勞源總是出現(xiàn)在應力集中的位置。實際鋼結構中，構件常存在孔洞、缺口、凹角、截面突變及鋼材內部缺陷等，在構件形狀突然改變或材料不連續(xù)的地方，出現(xiàn)應力局部增大的現(xiàn)象，叫做應力集中。塑性較好的材料在靜載荷作用下，破壞前構件內的應力已趨于均勻化，所以應力集中對塑性較好的材料影響較小，對脆性材料影響較大。

表1 高強度螺栓的應力集中系數(shù)

表2 相關方程及相關系數(shù)

圖1 d和呈線性關系

圖2 螺栓直徑D與其應力集中系數(shù)K t呈線性關系

圖3 比值d與應力集中系數(shù)Kt呈線性關系

3 直徑對高強螺栓疲勞的影響

通過實驗數(shù)據(jù)結合國內外已有數(shù)據(jù)，筆者匯出了M30以上及M30以下的SN曲線，并比較見圖4、圖5。

圖4 M30以上、M30以下常幅乘冪曲線比較

圖5 M30以上、M30以下常幅S-N曲線比較

其中：M30以上疲勞公式：

l gN=16.702-5.376 lgΔσ±1.340

或Δσ=1 278 N-0.186，其中R2=0.575 7；

M30以下疲勞公式：

l gN=14.128-3.998 lgΔσ±1.332

或Δσ=3 414.1 N-0.2501，其中R2=0.616 1；

全部數(shù)據(jù)疲勞公式：

1 gN=15.010 7-4.472 31gΔσ±1.325

或Δσ=2 272.2N-0.2236其中，R2=0.578 0

高強螺栓的疲勞性能在M30以下和M30以上存在很大差異，M30以上的S-N曲線斜率較大，容許應力幅較小，而M30以下的S-N曲線斜率較小，容許應力幅較大。說明了高強螺栓隨直徑的增加，其疲勞數(shù)據(jù)急劇離散，疲勞性能非常不均勻，螺栓直徑越大，發(fā)生疲勞破壞的概率越大，因此對M30以下和M30以上高強螺栓疲勞設計分析需分別進行，并且應盡量避免用大直徑螺栓，同時應選擇特制的疲勞性能好的高強螺栓。

以S-N曲線上一離散點M30-6為例，分析疲勞端口，說明數(shù)據(jù)離散原因見圖6：

圖6 M30-6宏觀斷口

圖7 M30-6微觀斷口（源區(qū)）

圖8 M30-6微觀斷口（擴展區(qū)）

圖9 M30-6微觀斷口（瞬斷區(qū)）

Δσ=118.9 MPa；N=27.22×104，觀察圖 6，有一個疲勞源，位于斷口上部第一螺紋處。擴展區(qū)相對平滑，面積約占整個斷口面積的70%左右。瞬斷區(qū)位于斷口下方，有一個尖銳的缺口，相對別的M30斷口，此斷口的瞬斷區(qū)面積稍大，約占斷口面積的30%左右。通過金相切片分析，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是由于該螺栓的回火溫度過高，材質達不到應有的標準。圖7是放大1 000倍的源區(qū)，圖中可見該處有較多冶金缺陷，多數(shù)為氣孔。圖8是放大500倍的擴展區(qū)，由于熱處理缺陷及冶金缺陷的存在，使得材質不均，導致了在此區(qū)域出現(xiàn)了較多的二次裂紋，也能看到有氣孔的存在，同時在此區(qū)域并沒有發(fā)現(xiàn)應屬于該區(qū)域的明顯疲勞斷裂特征——疲勞條紋。圖9是放大1 000倍的瞬斷區(qū)，與其他兩個區(qū)域比較，該區(qū)域本應相對粗糙，而從圖中看出：由于源區(qū)及擴展區(qū)比較粗糙，卻顯得瞬斷區(qū)比另兩個區(qū)域相對光滑，而且瞬斷區(qū)也能看到有氣孔的存在（右下角）。該螺栓雖然也屬于疲勞破壞，但由于大量冶金缺陷及熱處理缺陷的存在，在加載過程中由于缺陷引起的應力集中導致疲勞強度過低。

4 加載順序對高強度螺栓疲勞的影響

在變幅疲勞試驗中共采用“低→高”、“高→低”、“低→高→低”、“高→低→高”的加載順序，在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計過程中將加載順序歸結為二級程序試驗[4]，即“低→高”、“低→高→低”歸結為“低→高”，而將“高→低”、“高→低→高”歸結為“高→低”。

利用常幅疲勞試驗所得到的疲勞曲線,對變幅疲勞試驗結果利用進行折算，再回歸分析，見圖10。

回歸方程為：lgN=10.774 4-2.229 4 lgΔσ±0.652 8

r=-0.648 4

從圖10中可以看出，加載順序為低→高的試驗數(shù)據(jù)點擬合直線的斜率較全部試驗數(shù)據(jù)點的小。說明了材料在次負荷下，疲勞裂紋頂端產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)產(chǎn)生一定的壓應力，使應變強化、時效、強度增加及對外力產(chǎn)生了部分抵消作用，使裂紋擴展受到阻止，只有在更高的循環(huán)應力作用下才會使疲勞裂紋擴展，這種現(xiàn)象稱為次負荷鍛煉。

從圖中還可以看出，加載順序為從高→低的4個試驗數(shù)據(jù)點使LgN-LgΔσ曲線的斜率較未包含這4個試驗數(shù)據(jù)點的要大，說明高→低的加荷順序會加快疲勞裂紋的擴展速度。

圖10 對變幅疲勞試驗數(shù)據(jù)雙對數(shù)回歸曲線對比

5 結論

（2）螺栓直徑越大，發(fā)生疲勞破壞的概率越大，應盡量避免用大直徑螺栓。

（3）不同的加載順序，損傷效應是不同的，高—低加載次序損傷最大，低——高加載次序損傷小。