介绍
螺栓连接的疲劳强度受多种因素影响，如螺栓预紧力、布置方式、摩擦表面处理、钢级和扣眼率等[1]。 [2-3]等研究表明钢材的σ-n曲线，当螺栓预紧力较低时，螺栓孔内容易产生应力集中的部位会出现裂纹。 增大螺栓预紧力可以减少应力集中的影响，开裂位置向孔前粗糙断面移动。钢材的σ-n曲线，疲劳寿命增加； [4]研究了螺栓预紧力对铝合金螺栓连接疲劳寿命的影响。 结果表明，在单搭接螺栓连接中，随着预紧力的增加，疲劳寿命没有明显变化，双搭接螺栓连接的疲劳寿命没有明显变化。 搭接螺栓连接的预紧力越大，疲劳寿命越高； [5]等人发现板的摩擦系数会影响裂纹张开的位置。 试验中通过润滑接触面降低摩擦系数，裂纹位置转移至孔边缘。 疲劳寿命降低； [6] 等人。 研究了螺栓连接的低周疲劳性能。 在反复激励下，螺栓松弛，连接板之间产生微滑移，应力重新分布，逐渐发生疲劳破坏； 乔西[7]等人。 对重叠错位孔的疲劳性能进行了实验研究。 为了考虑平均应力对疲劳寿命计算的影响，基于应力应变法提出了文献[8]和SWT[8]模型。 两种模型都可以很好地进行预先测试。 零件疲劳寿命； 刘[9]等。 将非线性疲劳累积原理与随机SN曲线相结合，提出了变幅载荷下随机疲劳寿命的预测方法。
螺栓连接具有良好的迟滞旋转能力和耗能能力。 目前国内对高强钢螺栓连接疲劳性能的研究还很有限。 有必要深入了解其疲劳性能，明确其影响因素，以促进高强钢连接节点的合理设计。 高强钢的工程应用具有重要意义[10-11]。 本文对Q690D高强钢螺栓连接的疲劳失效机理进行深入研究，并与现行规范进行比较，讨论钢材强度对疲劳寿命的影响，评估应力集中和螺栓预紧力的影响关于疲劳寿命。
1 测试概述
1.1 试件设计
为了进一步研究高强钢螺栓连接的疲劳失效机理和性能，本次试验设计了三组试件，即母材、穿孔板和螺栓连接。 试件几何形状描述如图1至图3所示。孔板试件孔径为22mm。 样本用螺栓固定。 采用10.9级M20高强度螺栓。 施加的扭矩为510N·m。 螺栓孔直径为22mm。 边距、端距和螺栓距满足连接结构要求。 试验所用钢材为首钢钢铁厂生产的8mm厚Q690D轧钢。 钢的化学成分如表1所示。
1.2 材料性能测试
根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法》（GB/T 208.1-2010）的规定，进行材料性能试验，实测Q690D钢的应力应变曲线如图4所示，相应的力学性能如表2所示。分别对基材、穿孔板和螺栓连接试件进行静态拉伸试验，得到的屈服载荷如表3所示。疲劳试验的载荷值为根据屈服载荷确定。
1.3 装载计划
在电液伺服疲劳试验系统上进行疲劳加载（见图5），采用等幅正弦波加载，循环加载应力比R=0.1，频率15~30Hz。 试验中施加的初始载荷根据试样的屈服强度确定。 最大应力Smax为0.6fy~0.8fy。 采用小样本提升法调整加载系数，使其接近疲劳极限，即试件破坏200万次时对应的应力水平。 。 试验过程中出现异常、破损或循环系数达到200万次时，停止试验。
共有39个试件完成了疲劳载荷试验。 表4～表6分别列出了Q690D母材、穿孔板和螺栓试件的主要试验参数和结果。
2 测试结果分析
根据试验数据回归分析确定SN曲线，疲劳寿命N和最大应力S可表示为：
式中：a、b为拟合的待定参数。 将拟合的SN曲线减去1.645倍标准差，得到95%保证率的计算公式为：
在表4中，母材试样A-6在低应力水平下具有较低的疲劳寿命，在拟合曲线时被丢弃。 样本 A-11 和 A-12 在 200 万次循环载荷下没有断裂。 ，但其应力水平较低，属于低应力试件，拟合曲线时不使用。
在250.51~438.40MPa范围内变化，相应的疲劳寿命为2.0×106~次。 当加载系数为0.43时，试件B-9和B-11的疲劳寿命明显较低，在拟合曲线时将其废弃。
表6中Smax为第一排螺栓孔前总截面的最大应力。 计算忽略了高强摩擦螺栓连接中孔向前传递力的影响。 拟合曲线时，废弃异常试件C-6和疲劳寿命低的试件C-12。
对有效测试数据进行回归分析，即可得到式（2）中a、b的值以及标准差σ。 详细结果如表7所示。
范围，取0.93σmax。 根据元件和连接类型的不同，C、β和Cf的取值如表8所示：
将拟合结果与标准方法的疲劳寿命预测结果进行比较，如图6所示。200万次循环确定的疲劳极限值如表9所示。
从图表中可以看出：
(1)所有数据均在95%置信区间内，SN曲线正常，拟合曲线误差小，具有一定的可靠性。
(2)Q690D基材测试数据分布较为离散。 疲劳寿命60万次和200万次之间基本没有数据分布。 95%保证率下的疲劳极限是理论计算。
计算值的2.7倍，理论计算值的3倍。 该规范明显低估了 Q690D 基材的疲劳寿命。
(3)冲孔板测试数据的分布与基材测试数据的分布相似。 疲劳寿命70万次和200万次之间几乎没有数据分布。 95%保证率对应的疲劳极限比理论计算值分别提高了76.02%和131.77%。 高强钢穿孔板的疲劳性能优于标准理论计算值。
(4)与母材和穿孔板相比，螺栓连接试验数据具有更宽的分布范围。 95%保证率下的疲劳极限比和理论计算值分别提高了47.76%和70.49%。 规格曲线对螺栓连接疲劳性能的影响 估计偏保守。
3 应力集中与螺栓预紧力的影响
疲劳试件的宏观破坏模式如图7所示。母材为圆肩板状试件，断裂位置位于圆弧段到平行段的过渡处。 孔板疲劳裂纹发生在孔的净截面处，磨损发生在螺栓连接的中间孔周围，损坏位置在连接板第一排螺栓孔前方区域。 缺口引起的应力集中效应可用理论应力集中系数Kt来表征。 Kt的计算公式为：
由相关图表可得出台肩板的理论应力集中系数。 基材试样的Kt为1.03。 对于中间有直径d圆孔的有限宽度板，应力集中系数可按式（6）计算：
式中：2B为板宽，计算得出的穿孔板Kt=2.30。 研究表明，孔板应力集中系数为2.5，与上述理论计算结果接近； 双搭接螺栓连接中，拧紧螺栓后，应力集中系数可降至1.6。 取开口处的净截面计算名义应力，并绘制对比曲线如图8。
母材和穿孔板的失效模式反映了应力集中处容易产生疲劳裂纹。 由图8可知，母材的疲劳极限明显大于穿孔板的疲劳极限，说明应力集中系数越大，疲劳极限和应力集中越低。 疲劳寿命的程度受到显着影响。 螺栓的预紧力使螺栓孔周围的钢板受到压缩并径向膨胀。 当压缩受到周围环境约束时，在周向上产生压应力，减弱了孔边缘拉应力引起的应力集中，防止了净疲劳裂纹在截面处萌生并转移到孔内。洞前面的区域。 从图8可以看出，螺栓连接的疲劳极限大于孔板，说明螺栓预紧力可以提高连接的疲劳强度。
式中：B、β为材料常数； Smax和Smin分别为最大和最小应力； Nf为疲劳寿命； N为疲劳次数； D为疲劳损伤量。
将回归拟合的SN幂函数表达式与式（9）进行比较，可以发现基材、穿孔板和螺栓连接的β值分别为13.4718、6.6046和2.8625。 然后根据式(8)可绘制出如图9所示的疲劳损伤曲线。
从图9可以看出，随着疲劳次数的增加，D值缓慢增加，曲线斜率不断增大，损伤发展得越来越快。 其中，螺栓连接的损伤发展速度最快，穿孔板次之，基材最快。 慢的。 相应的应力集中系数为穿孔板最大，螺栓连接次之，母材最小。 从应力集中角度分析损伤发展，穿孔板的损伤发展速度最快，螺栓连接次之，母材最慢。 损伤曲线显示出不一致的模式。 分析原因，可能是螺栓连接孔边缘存在微动磨损，因此损伤发展速度大于孔板。 当N与Nf之比接近1时，D值瞬时增大，说明由于材料损伤，试件的有效承载面积减少，残余截面不足以抵抗外荷载引起的应力，造成瞬间断裂。 瞬时断裂阶段占疲劳寿命的比例很小，反映出快速扩展阶段进展不足。
5 结论
通过对Q690D高强钢基材、穿孔板、螺栓连接试件进行疲劳试验研究，可以得出以下结论：
（1）保证率95%的Q690D高强钢母材、穿孔板、螺栓连接的疲劳极限分别比GB 50017理论计算值高170%、76.02%、47.76% ，分别比理论计算值高200%、200%。 131.77%和70.49%，说明钢材的强度等级会影响疲劳性能。 Q690D钢的疲劳性能比普通钢具有显着的优势。
(2)疲劳裂纹对应力集中较敏感。 应力集中加速裂纹的产生。 应力集中系数越大，疲劳极限越低。
(3)螺栓预紧力可以缓解螺栓孔处的应力集中，延缓疲劳裂纹的发生，有利于疲劳强度的提高。
(4)在损伤曲线中，螺栓连接的损伤发展较快，反映出螺栓连接存在微动磨损的可能性。
(5)材料缺陷和加工工艺存在随机性，螺栓连接可能存在微动磨损的影响。 高强钢Q690D的疲劳性能还需要进一步的测试和分析来综合确定。
由于专业人士的讨论有很多值得分享的地方，所以我们专门成立了“智能紧固件”小组。 感兴趣的朋友可以添加以下微信号进入我们的讨论群：
本公众号由北京阿法斯特科技发展有限公司运营，欢迎大家投稿（请添加上面的微信二维码联系我们）共同探讨螺栓预紧力测量的相关技术和市场信息，共同推动此项技术的发展。产业发展，实现共赢。
北京阿法斯特公司（）专业从事超声波螺栓预紧力测量技术。 其主要产品包括系列螺栓预紧力测量仪器、长期螺栓预紧力监测产品、智能紧固件、智能螺栓预紧力控制产品。 紧固工具。
参考
[1] 曹新明，余国银． 螺栓连接疲劳强度影响因素及设计[J]. 工程
工业建筑，1986，16（8）：14-21
[2] A、A、Talha A. of
晚的：
和[J].
,2012,48:237-245
[3] A，Talha A，N，等人。 的
强行施加于
:-[J].
，2010，527（23）：
6413-6421
[4] JM，J. of on
的[J].
,2006,13(8):1410-1421
[5] TN、MJ、AB 等。 一个
螺栓力的
并于
2024-T3合金剪切搭接接头[J].
,2011,32:4641-4649
[6] 硕士、博士及研究
终生[J].
,2013,66:354-368
[7] Josi G、GY、Kulak G L. of with
洞[J]. ， 2004 年，
9（6）：614-622
[8]：
对于 , , 和
[M].:,1993
[9] 刘永明，S.
下[J].
,2007,29(6):1149-1161
[10] 宗良，石刚，王元庆，等。 桥梁钢及其对焊
接头疲劳裂纹扩展性能试验研究[J]. 工程力学，2016，
33(8):45-51(,,,等
等人。 裂纹研究
钢母材及对接焊缝[J].
,2016,33(8):45-51())
[11]石刚，张建兴。 高强结构钢Q460D疲劳性能试验
实验研究[J]． 工业建筑,2014,44(3):6-10(,
张. 高钢试验
Q460D[J].on，2014,44(3):6-10(中
））
