临界应力比下M24高强螺栓的常幅疲劳性能试验研究

焦晋峰，贾朋朋，刘 勇，刘建秋，雷宏刚

(1.太原理工大学 土木工程学院，太原 030024；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)

构架钢管避雷针结构，鉴于设计、加工和安装简便，被广泛应用于电网建设工程中[1]。作为超高压变电站主要部件，构架避雷针结构是否稳定运行对变电站意义重大。端板高强螺栓连接作为构架避雷针结构合理节点型式，其节点受力性能直接关系到结构安全。考虑到构架避雷针结构高度偏高，构件截面尺寸小，结构整体侧向刚度偏弱，属于高柔结构。当构架避雷针结构位于强风荷载地区或高烈度设防地区时，其端板高强螺栓连接处易发生疲劳失效，从而引起结构断裂倒塌[2-6]。

国内外学者对螺栓连接疲劳性能进行了试验和理论研究，其主要研究成果为：WANG et al[7-8]研究了螺栓连接的成孔方法和预拉力对疲劳寿命的影响；刘胜祥等[9]基于工程实例，数值模拟了风机上高强度螺栓的力学性能，编制了其相关的疲劳计算程序；穆国煜[10]基于数值模拟主要探讨了端板尺寸和螺栓预拉力两个因素对其疲劳性能的影响；何玉林等[11]基于参数化数值模拟端板连接外加载荷与螺栓受力之间的关系，建立外加载荷与螺栓受力的计算公式，并计算得到螺栓的疲劳损伤；徐亚洲等[12]采用有限元方法且结合螺栓试件疲劳试验和断口扫描结果，建立了Q235高强螺栓单面连接微动疲劳寿命数值预测模型，探讨了螺栓预拉力和接触面摩擦系数对螺栓疲劳寿命的影响；赵强等[13]针对35CrMo钢螺栓断裂，采用螺栓断口分析等试验方法，揭示了螺栓断裂为疲劳破坏，疲劳裂纹起源于螺纹根部；杨国法等[14]基于断口形貌、金相检验等试验手段，针对某风机基座螺栓断裂失效进行分析，揭示了螺栓断裂原因为单向弯曲疲劳断裂；杨旭等[15]针对螺栓球节点网架用10.9级M22高强度螺栓进行常幅疲劳试验，选取典型螺栓试件疲劳断口进行宏观和微观断口分析，揭示了螺栓试件疲劳破坏机理。

《变电站建筑结构设计技术规程》[16](DL/T 5457-2012)10.2.4条及条文说明：构架避雷针等设计应进行构件及连接计算，其最大设计应力值不宜大于《钢结构设计标准》[17](GB 50017-2017)规定的钢材强度设计值的80%；对于避雷针等承受反复交变荷载的构件疲劳验算按极限强度验算，按1类构件取折算应力幅为最大应力的150%.GB 50017-2017中16.2.5条规定，直接承受动力荷载重复作用的高强度螺栓连接，其疲劳计算应符合下列原则：抗剪摩擦型连接可不进行疲劳验算。由上述标准和规程条文可知：

1) 端板高强螺栓连接规定仅限于静力性能，对其疲劳性能验算并未作出详细规定；

2) 不同规范计算应力幅的选取不一致；

3) 高强螺栓连接的疲劳验算无法定量考虑端板连接构造的影响。

综上所述，当前螺栓研究主要侧重于数值模拟及少量试验研究中，而对端板连接用高强螺栓的疲劳性能研究缺乏，且相关标准或规程对高强螺栓的疲劳性能未做明确条文规定，制约了高强螺栓在实际工程应用和推广。为此，本文针对8.8级M24高强螺栓进行常幅疲劳试验，拟合相关S-N曲线，并与GB 50017-2017的相关公式计算结果进行对比，为端板连接高强螺栓疲劳性能分析提供参考。

1 试件及加载装置

1.1 试件规格选取和数量确定

基于既有工程失效案例和试验目的，选取DL/T 5457-2012中规格为8.8级M24高强螺栓作为试验对象，其化学成分、机械性能和尺寸公差符合国家现行的相关规范或标准。

《螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法》[18]GB/T 13682-926.4条规定：用升降法测定条件疲劳极限，通常每组取14个试件；《Eurocode 3:Design of Steel Structures》Part 1-9:FATIGUE规定，基于统计分析，疲劳试件的试验数量不低于10个。参考上述规定，本次常幅疲劳试验的试件个数为15个。另外，参考《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》[19]GB/T 3098.1-2010，选取了3个试件用于静力材性试验。

1.2 试件材性试验

由试件产品说明书可知，高强螺栓试件材质为35 K，性能等级为8.8级。根据GB/T 3098.1-2010进行静力拉伸试验，得到8.8级M24高强螺栓的力学性能参数，其主要材性试验结果见表1。

表1 螺栓力学性能试验指标Table 1 Test indexes of mechanical properties of bolts

1.3 试验加载装置设计及加工

在查询国内外相关文献的基础上，设计了一套加载装置，完全可以满足本次螺栓静力和常幅疲劳试验，其加载装置设计见图1。由于在加工制作过程中，上、下加载头对中偏差及接触端部平整度不满足MTS疲劳试验机的要求，故对上述加载装置进行了二次车床加工，见图2。

1.4 试验设备

本次常幅疲劳试验主要设备为MTS LANDMARK 370.50试验机(见图3)和DASP动态应变采集仪。MTS试验机采用力控制加载，加载波形为等幅正弦波，试验机最大加载频率为100 Hz.另外，在试验过程中，螺栓试件螺杆处环向布置2个单向应变片(见图4)，间隔180°，保证试验全过程监测螺栓试件应变和应力变化。

图3 试验加载Fig.3 Test loading

图4 螺栓试件Fig.4 Bolt specimen

2 疲劳试验加载制度

本文主要通过轴向拉伸试验获取试件发生疲劳破坏时的一系列数据点，以此建立反映8.8级M24高强螺栓常幅疲劳性能的S-N曲线。为得到该螺栓试件的S-N曲线，需要制定符合工程实际的加载制度，具体制度如下。

2.1 应力比

DL/T 5457-2012中10.2.4条：构架避雷针等设计应进行构件及连接计算，其最大设计应力值不宜大于GB 50017-2017规定材料强度设计值的0.8倍。结合相关文献和实际设计应力比控制等因素，偏于安全考虑，本次疲劳试验应力比取值R=0.8(室温)。

2.2 预拉力

由GB 50017-2017中11.4节可知：高强螺栓在静力验算和施工过程中并未考虑初始预拉力，仅高强螺栓摩擦型和承压型连接给出了相关的预拉力建议值。DL/T 5457-2012中7.3.6条指出：主要承受沿螺栓杆轴方向拉力的螺栓，宜采用钻成孔螺栓，其中包括8.8级高强螺栓。上述相关规定均未指明预拉力对高强螺栓疲劳性能的影响，为了探清高强螺栓预拉力大小对其常幅疲劳性能的影响，在本次试验加载制度中考虑预拉力因素，其加载扭矩大小为180～370 N·m，按等差数值10 N·m间隔设置。

2.3 交变荷载和加载频率

考虑到MTS试验机加载能力，确保循环加载过程中试件安全运行，本次疲劳试验加载荷载最大值不超过允许限值的0.6倍。在荷载输入时，需确定试验全过程中的最大荷载和最小荷载，其中最大或最小荷载包括螺栓的初始预拉力。

GB/T 13682-92中5.1.3条规定：试验频率应在4.2～250 Hz范围内，载荷应按正弦规律变化。考虑到本次试验加载装置固有频率和试验仪器限值等因素，经多次调试后，确定疲劳加载频率为7 Hz.

2.4 加载制度

疲劳试验中的应力水平包括最大应力σmax和最小应力σmin两个指标，在确定应力比的前提下，应力水平可以用应力幅表示。目前规范中常采用应力幅或等效应力幅进行计算，而实际试验中采用最大应力和最小应力进行试验。本次加载制度中螺栓试件对应的应力水平基于其公称直径计算，非螺栓疲劳断裂测得应力。另外，基于已有螺栓疲劳试验的经验和MTS仪器加载位移曲线幅值变化规律，忽略试件疲劳断裂对应循环次数的影响。

应力水平直接影响试件破坏的荷载循环次数，一般情况，应力水平较低时，试件的循环次数较大，反之相反。对于结构用连接材料的疲劳试验，需要获取试件在2×106次内的循环荷载对应的试验数据，结合已有文献可确定试验应力水平范围，制定原则如下：

1) 为了获取较为完整的S-N曲线，本次疲劳试验的应力水平分为3个档次，即低应力幅、中应力幅和高应力幅，对应的每个应力幅分级的试件数量宜不小于4个；其中加载应力幅档次的划分主要取决于试验加载设备允许限值、疲劳试验周期长、疲劳试验数据点均匀化等因素；

2) 应力水平采用等值间隔划分；

3) 疲劳试验的最高应力水平需结合现有试验设备条件、试验目的和材料的屈服强度综合确定，最低应力水平由应力比得出。

基于上述原则，本次高强螺栓试件常幅疲劳加载制度详见表2。螺栓常幅疲劳试验进行前，先施加指定预拉力，待螺栓栓杆两侧应变所测数值相差小于5%，方可正式进行常幅疲劳加载。

表2 M24高强螺栓常幅疲劳试验结果Table 2 Results of constant amplitude fatigue test for M24 high-strength bolts

3 试验结果及现象

3.1 疲劳试验结果

本次试验的重要环节是每隔半小时记录试件的应力水平和对应的循环次数。试验过程中，高强螺栓疲劳失效基于试件完全断裂为准则。

试件发生疲劳断裂时，加载仪器MTS同时自动终止，记录试件发生疲劳失效对应的破坏循环次数和应力水平(见表2)。在低应力幅水平范围内，若试件循环次数超过2×106次仍不发生疲劳断裂，此时调整疲劳应力幅，继续进行疲劳试验，直至试件发生疲劳失效。

基于上述原则，以疲劳试验加载应力幅为纵坐标，循环破坏次数为横坐标，得出试件应力幅与循环破坏次数对应关系如图5所示。由图5可知，试件的循环破坏次数整体上与应力幅加载成反比，即试件的加载应力幅越大，则循环破坏次数越低。其中M24-0.8-12试件为变幅疲劳失效，统计分析时仅考虑初始应力幅对应的循环次数。

图5 Δσ-N曲线Fig.5 Δσ-N curve

3.2 试验现象和疲劳断口分析

由图6可见，本次所有试件疲劳断裂破坏处均位于螺栓螺纹齿根处。这是由于该处截面变化较大，易产生应力集中而发生疲劳破坏。图7为M24-0.8-2高强螺栓名义应力幅为110 MPa试件的疲劳断口。由图7(a)宏观断口可知：该试件疲劳断口包括3个区域，即疲劳源、疲劳扩展区(又分为稳定扩展区和快速扩展区)和瞬断区；疲劳扩展区呈现半圆状，平整光滑，颜色发暗，为疲劳裂纹不断扩展导致；疲劳瞬断区光亮粗糙，为试件快速失效时的拉断区域；断口呈现多条棘轮花样，形成数个疲劳台阶，推理得出为多点疲劳源，随着疲劳裂纹的扩展，多点疲劳源逐渐汇交形成线状疲劳源。

图7(b)为典型疲劳源区处500倍的微观图，可以明显看到图中棘轮花样和疲劳台阶，显示该处存在1处疲劳源；图7(c)中为疲劳稳定扩展区500倍的微观图，扩展区域平整光滑，个别地方形成韧窝；图7(d)中为疲劳不稳定扩展区500倍的微观图，扩展区域较为粗糙，且韧窝大量出现；图7(e)中为疲劳瞬断区55倍的微观图，断口表面粗糙不平且起伏较大，撕裂状明显；图7(f)中为疲劳瞬断区1 000倍的微观图，局部区域可见细小韧窝。

由试件宏观和微观断口分析可知：该试件疲劳破坏起源于螺栓螺纹齿根表面处，由螺纹齿根处向两侧环向和径向同时扩展，裂纹环向扩展速率高于径向扩展。随着螺栓试件有效截面逐渐减少，断面峰值应力不断增加，最后试件剩余截面不足以承受外部施加交变荷载，瞬时拉断，此时试件破坏对应裂纹沿着螺栓径向快速开展。

图6 试件疲劳破坏Fig.6 Fatigue failure of specimens

图7 疲劳断口Fig.7 Fatigue fracture

3.3 S-N曲线

根据上述常幅疲劳实验结果，由最小二乘法拟合疲劳寿命曲线表达式：

lg(Δσ)=algN+b.

(1)

式中：Δσ为正应力幅；a，b与材料、应力比及加载形式等有关，根据试验数据拟合确定。

当采用95%保证率时，相应的计算公式为：

lg(Δσ)=algN+b-1.645s.

(2)

式中：s为样本标准差。

拟合后的S-N曲线见图8，由图8可知，lg(Δσ)和lgN线性相关程度良好。

由公式(2)计算可得应力比为0.8时，高强螺栓疲劳循环次数2×106次对应允许名义应力幅[Δσ]2×106=67.61 MPa.

图8 实验lg(Δσ)-lg(N)曲线Fig.8 Experimental lg(Δσ)-lg(N) curve

GB 50017-2017规定疲劳计算采用基于名义应力的容许应力幅法，名义应力按弹性状态计算，容许应力幅按构件和连接类别、应力循环次数以及计算部位的板件厚度确定。正应力幅的疲劳计算式为：

(3)

式中：[Δσ]为常幅疲劳的容许正应力幅，对于非焊接部位：Δσ=σmax-0.7σmin.由GB 50017-2017可知：螺栓按连接类别Z11考虑，具体疲劳细节Cz=0.25×1012，βz=3，γt=1.0.代入公式(3)，可得疲劳计算公式如下：

(4)

由公式(4)可知，螺栓对应2×106次允许名义应力幅[Δσ]2×106=50 MPa.对比试验结果(见图9)，试验对应允许名义应力幅为标准建议值的1.35倍。

图9 标准与试验对比S-N曲线Fig.9 Comparison of standard and test S-N curves

4 结论

通过试验研究15个8.8级M24高强螺栓常幅加载的疲劳性能，可以得出如下结论：

1) 在试件应力比设置为临界值的前提下，M24高强螺栓试件疲劳试验结果表明，试件疲劳破坏循环次数离散性较大，其疲劳寿命整体上与加载常幅疲劳应力幅成反比；常幅疲劳试验试件加载最大应力仅占试件静力实测屈服强度的0.24倍～0.45倍，但其对应疲劳循环次数相差甚大，两者最大相差约30倍；

2) 典型高强螺栓M24-0.8-2试件断口分析表明，螺栓疲劳破坏起源于螺纹齿根处，疲劳破坏由多点源逐步形成线源，随后沿两侧环向和径向逐步扩展，环向扩展速率高于径向扩展速率；

3) 根据疲劳试验拟合结果并按95%保证率得出的S-N曲线表达式可知，8.8级M24高强螺栓在N=2×106次的疲劳强度为67.61 MPa，而按《钢结构设计标准》GB 50017-2017查的相应疲劳强度为50 MPa.相比标准建议值，试验所得2×106次对应疲劳强度为其1.35倍。