【摘 要】
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随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出,装配式钢结构建筑作为绿色建筑中重要的结构型式之一得到了广泛的关注和大力的推广,被广泛应用于工业建筑、民用建筑、风力发电机及变电构架等结构中。端板高强度螺栓连接节点作为装配式钢结构建筑的主要节点型式,其可靠性直接关系到结构的整体受力性能。在风荷载、机械振动荷载等往复荷载作用下,高强度螺栓容易成为结构受力的薄弱部位,可能会产生疲劳失效问题。目前,关于高强度螺栓常幅
【基金项目】
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国家自然科学基金（12172244）； 山西省留学人员科技活动择优资助项目（DC1900000602）； 山西省基础研究计划项目（202103021223105）；
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随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出,装配式钢结构建筑作为绿色建筑中重要的结构型式之一得到了广泛的关注和大力的推广,被广泛应用于工业建筑、民用建筑、风力发电机及变电构架等结构中。端板高强度螺栓连接节点作为装配式钢结构建筑的主要节点型式,其可靠性直接关系到结构的整体受力性能。在风荷载、机械振动荷载等往复荷载作用下,高强度螺栓容易成为结构受力的薄弱部位,可能会产生疲劳失效问题。目前,关于高强度螺栓常幅疲劳断裂机理及其裂纹扩展过程的研究较为有限,且各国规范中对于端板螺栓节点的疲劳验算规定仍存在不足,故有必要对其疲劳断裂机理进行深入研究。本文在国家自然科学基金（12172244）、山西省留学人员科技活动择优资助项目（DC1900000602）和山西省基础研究计划项目（202103021223105）的联合资助下,以工程中常用的8.8级M24高强度螺栓为研究对象,通过开展欠拧螺栓在应力比0.5下的常幅疲劳试验对其疲劳断裂机理进行研究,通过数值模拟结合试验结果对其疲劳裂纹扩展机理进行仿真模拟,并在此基础上探讨了高强度螺栓常幅疲劳特性。本文主要研究内容及结论如下:（1）对比了国内外钢结构设计标准及规范中与螺栓相关疲劳验算的方法,并通过对文献中238组疲劳试验结果进行汇总和对比,得出了螺栓直径和材质对其疲劳强度存在较大影响;同时整理综述了螺栓几何特性、应力比、预紧力、工作环境、表面处理等因素对高强度螺栓疲劳性能的影响及其作用机理;（2）通过对30组8.8级M24高强度螺栓欠预紧力试件在应力比0.5下的常幅疲劳试验,得到了其疲劳S-N曲线及疲劳强度,并分别拟合了不同预紧扭矩下的S-N曲线,对比得到增大预紧力可以提高螺栓疲劳性能;在传统Basquin公式基础上拟合了考虑预紧扭矩的高强度螺栓疲劳寿命估算公式;通过高强度螺栓疲劳性能影响因素对比分析得出,高强度螺栓疲劳强度与应力比、应力幅均呈负相关关系,而受预紧扭矩影响较小;（3）螺栓试件主要有三种疲劳断裂模式,其中80%的试件为拧入螺母受力螺纹底部发生断裂,为主要失效模式,而部分试件的疲劳断裂发生在螺栓头底部圆角处及螺纹段尾部;通过断口形貌宏、微观分析揭示了高强度螺栓疲劳断裂机理,宏观断口形貌各疲劳特征区域之间界限明显,疲劳扩展区面积占比与疲劳寿命呈正相关关系,与应力幅、应力比呈负相关关系;试件微观形貌特征受加载制度影响,并可以由此推测疲劳发展过程;通过元素能谱分析得到了断口处夹杂的主要成分,其降低了材料疲劳性能;（4）基于ABAQUS有限元数值模拟,得到螺栓表面应力沿轴向呈梯度递减分布,裂纹长度及其相对位置对螺栓杆表面应力分布影响显著,由此提出了考虑螺栓杆应变变化的裂纹长度预测公式;结合扩展有限元方法（XFEM）参数化分析了裂纹长度、裂纹角度、裂纹纵横比对裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展角的影响,并对影响因素敏感性进行了正交分析;基于XFEM对模型疲劳裂纹三维扩展路径及裂纹面形貌进行了仿真模拟,模拟结果与试验结果较为吻合。
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