铝合金螺栓连接抗剪低周疲劳试验及寿命预测

铝合金螺栓连接抗剪低周疲劳试验及寿命预测
刘红波; 马景; 韩锐; 陈昆
【期刊名称】《《天津大学学报》》
【年(卷),期】2019(052)0z2
【总页数】6页(P142-147)
【关键词】铝合金板式节点; 低周疲劳试验; 抗剪承载力; S-N曲线; 疲劳寿命
【作者】刘红波; 马景; 韩锐; 陈昆
【作者单位】滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学) 天津300072; 天津大学建筑工程学院天津 300072; 天津大学建筑设计研究院天津300073【正文语种】中文
【中图分类】TU391
铝合金材料因其质量轻、耐腐蚀、较好的延展性等优点[1]，已被广泛用于建筑领域[2-3]，螺栓连接板式节点为其主要节点形式之一．然而，较轻的自重使得结构在风荷载、地震作用等往复荷载作用下容易发生疲劳破坏．如台湾某铝合金网壳在台风作用下发生外部蒙皮与主体结构脱落及局部网壳结构坍塌[4]．北京某铝合金桁架结构在大雨、大风的作用下发生结构倒塌[5]．
目前，针对铝合金空间网格结构的研究大多集中在铝的材料性能、网格结构的稳定性能以及节点的静力承载性能等方面．石永久等[6]、彭航等[7]、郭小农等[8]、陈志华等[9]众多学者对于铝合金材料的本构方程、单向拉伸以及疲劳性能等进行了大量的试验和理论研究．在铝合金网格结构的整体稳定性能、抗风性能等方面，
徐帅等[10]做了充分的研究．王元清等[11]、熊哲等[12]、郭小农等[13]、Xu等[14]对铝合金板式节点的抗剪性能、承压强度、节点刚度、受弯承载力等进行了深入的研究．北京航空航天大学李睿等[15]对2024-T3铝合金孔板实施了高周与低
周复合疲劳探究，但仅考虑了循环次数对疲劳的影响，没有对其他因素进行分析．崔步嶷、李生安[16]对钛和钢螺栓抗剪接头的寿命进行了对比试验，对两者的应力-寿命S-N曲线进行了分析．
然而，针对板式节点动力性能的试验研究还比较匮乏．对于疲劳问题，由于缺乏试验依据，设计人员设计保守，造成了一定程度上的浪费．铝合金材料本身对裂纹及应力集中比较敏感，应用该种材料制成的构件的抗疲劳性能相对较差．故而，在铝合金建筑材料广泛应用之前，对其进行大量的试验研究抗疲劳性能具有重要的意义．本文基于铝合金空间网格结构在强风作用下承受反复荷载而发生的节点低周疲劳破坏背景，开展螺栓板连接低周疲劳性能试验．采用试验研究与理论分析相结合的方法，研究往复荷载作用下铝合金单螺栓抗剪连接的滞回性能和高应变低周疲劳性能，并且建立其寿命评估方法，为整体节点疲劳性能分析提供理论与试验基础，同时也为强风作用下铝合金空间结构的倒塌机理和抗风设计方法研究奠定基础．
本试验旨在对单螺栓连接试件进行低周疲劳试验，通过不同的加载控制幅值来模拟不同的工况，从而得到单螺栓连接试件的破坏机理以及疲劳寿命，为后续连接板的寿命估算提供依据．
本试验共制作了10个相同的单螺栓连接板试件．试件采用工程中常用的M9.66
不锈钢螺栓(304HC材质)，连接板件为10mm厚铝合金6061-T6板材，通过循
环反复加载使其发生螺栓剪切破坏．考虑试件加工方便与产品建议值，螺栓孔径
d0取d＋0.34mm，即为10mm(d为螺栓杆直径)．
试件尺寸如图1所示，为了满足试验机夹持要求，试件两端均预留有75mm夹持区域，并在夹持区域添加等厚度垫块．垫块与连接件相接触的地方采用滚花处理并
打入4根不会产生应力集中的销钉，以保证加载过程中连接件与垫块之间不会产
生相对位移．试验前的试件如图2所示．
采用天津大学北洋园校区土木工程及新材料实验室的电液伺服疲劳试验机进行循环往复加载，加载设备以及试件夹持状态如图3所示．
试验设计符合《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》(GB/T15248—2008)[17]规定．对于构件的低周疲劳试验，通常采用位移控制进行加载，但为保证试验安全，本试验采用应力控制的等幅循环荷载．分别取单向拉伸承载力平均值的0.700倍、0.875倍、0.900倍、0.925倍、0.950倍、0.960倍、0.975倍等作为控制应力．考虑到压缩时试件可能在薄弱部位发生扭曲，并且中间的螺栓发生旋转，故采用单向疲劳加载方式，波形为三角波．为避免加载频率过高引起试件表面温度升高过多，因此本试验控制加载频率为0.5Hz，以试件(铝合金板件或环槽铆钉)断裂作为破坏准则．
试件在荷载循环初期无明显现象，随着循环次数不断增加，试件的疲劳损伤不断累积，板件螺栓侧发生较为明显的扭转，螺栓发生扭动．试件破坏前无明显征兆，破坏为脆性断裂，破坏时发生巨大的响声．试件编号为92.5B的试件在破坏前发出“咔咔”的声响直至断裂，是由于该试件的加工原因，连接板与螺栓之间的空隙较大，实为金属碰撞的声音．
不同荷载水平下的铝合金单螺栓连接试件的低周疲劳破坏形式均为螺栓从两板之间被剪断．各试件的破坏形态如图4所示．编号为70B的试件在螺栓螺帽处被剪断，除此之外，在板间位置还存在1个肉眼可见的剪切面，但并未从此处剪断．经检
查发现该试件存在加工缺陷，故破坏模式出现偏差．
在不同试验目标荷载作用下，其名义应力均小于材料屈服强度，受力最大截面大部分区域均处于弹性范围，仅应力集中处一小部分材料进入塑形状态．不少研究认为，金属材料中疲劳裂纹的形成是由于金属中局部的循环塑性变形引起的，因而试件在
不同目标荷载下的疲劳破坏形式单一，均为螺栓被剪断．
另外，不锈钢螺栓破坏面断口较为平整且粗糙，并且无明显的塑性变形．由于铝合金的延性较差，可以认为试件在形成裂纹后，继续施加往复荷载，裂纹扩展的过程十分短暂，可以近似认为裂纹出现的寿命为试件的疲劳寿命，这与高强钢螺栓的疲劳寿命规律一致．高强螺栓疲劳裂纹对应力集中较为敏感，应力集中加快了裂纹的萌生，应力集中系数越大，裂纹扩展速度越快，疲劳极限越低．通过与钢结构焊缝连接节点的低周疲劳破坏机理和寿命对比可以发现，焊接接头的疲劳裂纹形成寿命占疲劳寿命的主要部分(大于70%)，这与铝合金螺栓连接节点疲劳寿命相似．但是二者所不同的是，钢结构焊接节点的裂纹出现后相对具有一定的延性，裂纹甚至会扩展至远离焊缝的母材区，而铝合金螺栓连接节点裂纹扩展的过程短暂，扩展范围小．
在试件加载过程取典型阶段做荷载位移曲线图，如图5所示．从图中可以看出，铝合金单螺栓连接试件在试验目标荷载下整体均在弹性范围内．同时，试件的荷载-位移曲线呈现为弓形及反S形之间，说明曲线出现了一些滑移．经分析由于螺栓的直径为9.66mm，而孔径为10mm，螺栓与孔壁之间存在一定孔隙所致．
图6为铝合金单螺栓板连接试件分别在0.900倍和0.950倍控制应力作用下位移幅值随寿命变化的响应曲线，其中位移幅值为最大位移与最小位移之差的平均值，n/nr表征加载进程．n为加载过程中的循环次数；nf为试件破坏时的循环次数(即疲劳寿命).
由图6可以看出，螺栓板的位移幅值随着循环次数的增加而增加．其主要原因是试件在多次循环荷载作用下产生损伤，随着循环次数的增加，损伤不断累积，试件的位移幅值逐渐增大．通过对比图6中的2条曲线可知，0.900倍控制应力下的曲线较0.950倍控制应力的曲线的上升趋势明显．控制应力为0.900倍的试件是0.950倍的试件循环次数的5倍之多，因此累积损伤较多．
试验得到的不同控制荷载水平下试件的疲劳寿命情况见表1所示．其中试件94B 在试验过程中由于实验仪器出现问题加载中止，试件尚未断裂．另外试件70B破坏时循环次数离散型较大，计算时暂不作重点考虑．
考虑实际实验中荷载控制的误差，可将控制应力相差不大的试件90B和91B，92B和92.5B作为对照组考虑．
试件应力比与循环次数的关系见图7．由图7可以看出随着控制应力的降低，试件的循环次数显著增大．
对于试验得到的应力与寿命关系，可采用数学表达式描述其S-N曲线规律．根据本试验的结果，以应力比为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标，绘制出1条在平均应力下的S-N曲线，如图8(a)所示．
S-N曲线在自然坐标系中呈现为1条曲线，实质为1条双曲函数曲线，表达式为式中：m和C为材料参数．
将该曲线稍加改进，横坐标取对数，得到对数坐标系下应力比与循环次数的关系曲线，如图8(b)所示．
根据图8(a)和(b)中的曲线，分别得到自然坐标系和对数坐标系S-N拟合公式，如式(2)和(3)所示．
自然坐标系S-N拟合公式为
对数坐标系S-N拟合公式为
由拟合关系图可以看出应力比-寿命试验点基本分散在曲线附近，没有出现较大偏离，数据比较稳定．由于单螺栓板连接板试件小、试验方便的经济性和可操作性，使得公式的可靠度有一定的保证．
本文通过开展10个铝合金螺栓连接试件的低周往复疲劳试验，研究了铝合金单螺栓连接板的破坏机理以及疲劳性能，拟合出S-N曲线，并建立公式对铝合金单螺栓连接板的疲劳寿命进行预测，得到以下结论．
(1) 铝合金螺栓连接试件在低周疲劳荷载下的破坏模式均为螺栓在位于两板件之间的截面被剪断破坏，破坏为脆性破坏．
(2) 由于铝合金的延性较差，试件在形成裂纹后，裂纹扩展的过程十分短暂，可以近似认为裂纹出现的寿命为试件的疲劳寿命．
(3) 铝合金单螺栓连接试件在试验目标荷载下整体均在弹性范围内；同时由于螺栓与孔壁之间存在空隙，荷载-位移曲线呈现为反S形，曲线出现了一定的滑移．(4) 试件在多次循环荷载作用下产生损伤，随着循环次数的增加，损伤不断累积，试件的位移幅逐渐增大．
(5) 根据铝合金单螺栓连接试件低周疲劳寿命结果可得出：随着控制应力的降低，试件的循环次数呈指数增大．
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