螺栓球节点网架结构高强螺栓连接疲劳性能的理论与试验研究

论文摘要

螺栓球节点网架结构作为大跨空间结构型式之一,其应用的范围及数量均居国内外首位。悬挂吊车的往复交变作用将带来工业建筑领域的螺栓球节点网架结构的疲劳问题。螺栓球节点网架结构的疲劳涉及到杆件、锥头、封板、螺栓球以及高强度螺栓连接的疲劳,而后者是疲劳破坏的关键所在。由于理论及试验研究甚少,目前国内外相关规范中亟待建立其疲劳设计方法。否则,设计人员无据可依,严重制约其在带悬挂吊车工业建筑领域的大规模应用。本文依托国家自然科学基金项目（59908005,50678109）的资助,重点对螺栓球节点网架结构高强度螺栓连接的疲劳性能进行理论与试验研究。本文的研究内容、研究方法、研究成果以及创新性概括如下:1、以ANSYS有限元分析软件为手段,针对40cr制M14、M20、M24、M30、M33、M39、M52、M60共8种高强度螺栓连接为对象,采用20节点的SOLID95单元进行实体建模,定量探讨了螺栓直径、螺纹升角、螺纹牙根圆角半径及螺栓球的影响程度。首次建立了高强度螺栓连接的应力集中系数及疲劳缺口系数的计算公式,后者数值区间为4.35-4.89。该结论揭示了应力集中和疲劳源的关系,解释了高强度螺栓连接疲劳强度极低的原因,奠定了以热点应力或热点应力幅为参量建立疲劳设计方法的理论基础。2、自行设计了一套高效、平稳的加荷装置,与瑞士进口的AMSLER疲劳试验机相配合,完成了M20、M30两种规格共32个高强度螺栓连接的常幅疲劳性能试验。得到了19个有效破坏点,9个超过2百万次的未破坏点,4个异常破坏点。收集了国内35个常幅试验数据,其中33个有效破坏点,2个超过2百万次的未破坏点。将本文与国内共有的52个有效试验数据回归统计分析,得到了S—N曲线斜线段部分的方程。借助本文与国内共有的11个未破坏试验数据,确定了S—N曲线的水平段部分。截至目前,本文得到的S—N曲线为国内外相对具有代表性和通用性的高强度螺栓连接疲劳曲线。3、依据该S—N曲线,分别以名义应力σmax、热点应力σh、名义应力幅Δσ、热点应力幅Δσh为设计参量,建立了螺栓球节点网架高强度螺栓连接的常幅疲劳设计方法。若以N=2×106为基准期,则[σ0P]=46.0MPa。[σ0hP]=200Mpa,[Δσ]=34 Mpa,[Δσh]=148 Mpa。高强度螺栓的疲劳强度仅相当于其屈服强度的5.1%,抗拉极限强度的4.6%,抗拉强度设计值的10.7%。并提出将高强度螺栓连接增补为《钢结构设计规范》（GB50017-2003）表6.2.3-2中的第九类。4、在完成常幅疲劳性能试验的同时,针对M20、M30两种规格共21个高强度螺栓连接疲劳试件,进行了“低→高”、“高→低”、“低→高→低”、“高→低→高”以及“随机性程序块”五种典型加载模式下的变幅疲劳性能试验,成功得到了21个有效破坏点。该项试验研究在国内外尚属首次。根据得到的试验数据,应用Miner法则与Corten—Dolan理论分别估算其疲劳寿命,绝大多数的D值均大于1,后者D值的离散性远小于前者,表明了高强度螺栓连接疲劳寿命的估算采用Corten—Dolan理论则更为合理。5、借助疲劳试验得到了40个典型的疲劳断口,其中M20常幅疲劳断口12个,变幅疲劳断口8个;M30常幅疲劳断口10个,变幅疲劳断口10个。借助放大镜、电子显微镜,针对疲劳断口进行金相分析,揭示了高强度螺栓连接的常幅及变幅疲劳破坏机理。疲劳断口均呈现疲劳源区、扩展区和瞬断区三个区域特征,而变幅疲劳断口的随机性远大于常幅疲劳断口。6、应用断裂力学的方法,估算40Cr制M20、M30高强度螺栓连接的常幅疲劳寿命。理论估算值与试验结果的规律性吻合较好,但前者大多数小于后者,且误差在20%左右。初始缺陷或裂纹初始长度是影响裂纹扩展寿命的重要因素,当初始裂纹长度增大一倍时,裂纹的扩展寿命减少50%左右。材料的断裂韧性对疲劳寿命的影响较小,当断裂韧性增大一倍时,裂纹扩展寿命仅增加10%左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 疲劳问题的定义及特点
• 1.2 疲劳问题的研究进展
• 1.2.1 疲劳问题研究历史回顾
• 1.2.2 疲劳破坏机理研究评述
• 1.2.3 疲劳累积损伤理论研究评述
• 1.2.4 疲劳寿命估算理论研究评述
• 1.3 网架结构疲劳问题的研究进展
• 1.3.1 网架结构的特点及在悬挂吊车工业建筑中的应用
• 1.3.2 网架结构的典型事故分析
• 1.3.3 网架结构疲劳问题研究的必要性
• 1.3.4 网架结构疲劳问题的研究进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 螺栓球节点网架结构高强度螺栓连接疲劳缺口效应分析
• 2.1 疲劳缺口效应研究评述
• 2.1.1 概述
• t'>2.1.2 理论应力集中系数K_t
• f'>2.1.3 疲劳缺口系数K_f
• 2.2 高强度螺栓连接的缺口效应分析
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 普通螺纹的基本牙型及主要尺寸
• 2.2.3 计算模型
• 2.2.4 组合应力集中系数
• 2.2.5 螺纹缺口对疲劳裂纹开展的影响
• 2.2.6 螺纹升角的影响
• 2.2.7 螺栓直径大小的影响
• 2.2.8 螺纹牙根圆角半径R的影响
• 2.2.9 螺栓球对高强度螺栓应力集中的影响
• 2.2.10 应力集中系数K计算公式
• f'>2.2.11 疲劳缺口系数K_f
• 参考文献
• 第三章 螺栓球节点网架结构高强度螺栓连接常幅疲劳性能试验研究
• 3.1 疲劳试件及连接件设计
• 3.2 疲劳试验加载装置设计
• 3.2.1 双边加载装置（见图3-5）
• 3.2.2 单边加载装置1（见图3-6）
• 3.2.3 单边加载装置2（见图3-7）
• 3.3 试验内容
• 3.3.1 静载破坏试验
• 3.3.2 常幅疲劳试验
• 3.4 疲劳试验结果
• 3.4.1 本文得到的常幅疲劳试验数据
• 3.4.2 国内已有的常幅疲劳试验数据
• 3.5 常幅疲劳试验结果分析
• 3.5.1 本文常幅疲劳试验数据的回归分析
• 3.5.2 国内已有常幅疲劳试验数据的回归分析
• 3.5.3 国内全部常幅疲劳试验数据的回归比较分析
• 3.6 常幅疲劳设计方法的建立
• 参考文献
• 第四章 螺栓球节点网架结构高强度螺栓连接变幅疲劳性能试验研究
• 4.1 疲劳试件设计
• 4.2 加荷装置设计
• 4.3 变幅疲劳试验
• 4.4 变幅疲劳试验结果
• 4.5 变幅疲劳试验结果分析
• 4.5.1 Miner法则估算高强度螺栓疲劳寿命
• 4.5.2 Corten-Dolan理论估算高强度螺栓疲劳寿命
• 4.5.3 小结
• 参考文献
• 第五章 螺栓球节点网架结构高强度螺栓连接疲劳破坏机理研究
• 5.1 M20高强度螺栓的常幅疲劳断口分析
• 5.2 M30高强度螺栓的常幅疲劳断口分析
• 5.3 M20高强度螺栓的变幅疲劳断口分析
• 5.4 M30高强度螺栓的变幅疲劳断口分析
• 5.5 疲劳破坏机理分析
• 参考文献
• 第六章 断裂力学估算螺栓球节点网架结构高强度螺栓连接的疲劳寿命
• 6.1 引言
• 6.2 M20高强度螺栓疲劳寿命的估算
• 6.3 M30高强度螺栓疲劳寿命的估算
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论和建议
• 致谢
• 博士生期间发表的论文、论著及科研项目