螺栓球节点网架疲劳实验装置的优化设计

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1、螺栓球节点网架疲劳实验装置的优化设计雷宏刚闫亚杰刘丽君毕朝锐李宇（太原理工大学土木系，太原030024）提要本文结合螺栓球节点网架设置悬挂吊车时的变幅疲劳实验要求，在优化的基础上，设计了一套适用于常幅和程序块加载的轴向疲劳试验装置。并对随机变幅疲劳试验试验方法提出了改进构想。关键词网架，螺栓球节点，高强螺栓，疲劳实验，装置0引言螺栓球节点网架在悬挂吊车作用下的疲劳性能研究是国内外学术界及工程界亟待解决的热点问题［1～3］。虽然理论分析是研究疲劳性能的一种捷径，但由于疲劳影响因素很多，目前国内外学者提出的各种

2、疲劳寿命理论估算公式与试验结果相差甚远，因此疲劳试验是大家公认的可靠、直接的方法。疲劳试验能否顺利完成与疲劳试验装置是否合理紧密相关。为了完成国家自然科学基金项目“螺栓球节点网架设置悬挂吊车时的疲劳性能研究”的全部疲劳试验工作，首次设计了一套加荷装置，该装置经试验表明高效、合理，并且对今后类似的疲劳试验有重要参考价值。1疲劳试验的目的及内容网架螺栓球节点的疲劳关键是高强螺栓的疲劳，因此疲劳试验的目的在于得出高强螺栓在常幅下的S-N曲线，了解在变幅下的疲劳性能，弄清疲劳强度的影响因素及疲劳破坏机理，进而利用断

3、裂力学和累积损伤理论建立螺栓球节点网架的变幅疲劳设计方法。同时建立在役悬挂吊车网架厂房残余疲劳寿命的估算公式。为此疲劳试验共包括常幅疲劳试验、程序块加载疲劳试验以及随机变幅疲劳试验三项内容。根据《螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法》（GB/T13682-92）规定［4］，通常绘制一条S-N曲线至少需要14个数据点，其中8个点用于确定S-N曲线的倾斜部分（按4级应力水平，每级2个点），6个点用于确定S-N曲线的水平部分。为此，本次疲劳试验选用了螺栓球节点网架中常用的M20、M30、M39三种高强螺栓共72个试件。

4、全部试件在本文设计的加荷装置上完成。2疲劳实验装置的设计及特点研究结果表明［2］，螺栓球节点的单向受力性能与多向受力性能相差不大，并且网架中所有杆件均按轴力构件设计。因此，对于螺栓球节点进行轴向疲劳试验既简单又合理，而且可以大大节约试验费用。考虑到螺栓球节点疲劳试验的目的及内容，特此设计了加载装置与AMSLER疲劳试验机配套使用。2.1实验装置设计图1M30疲劳试件图2M30连接件照片①双边加载装置2.1.1试验设备试验采用瑞士进口的AMSLER疲劳试验机作为加载设备,最大幅值100吨，0～800周/分无级

5、调速。试验中采用的圆频率是400周/分。2.1.2试验加载方案方案一双边加载装置（见照片①）在刚架上部横梁的两边固定M39高强螺栓支座，支座的底板用来模拟M39高强螺栓的封板。下部钢梁两边对应M20支座，利用螺栓球将M30试件分别与M39、M20螺栓相连。荷载通过与AMSLER疲劳试验机相连的油压千斤顶施加，千斤顶的压力经钢梁施加给两边试件组。荷载的大小靠调整两边试件组的力臂来控制。方案二单边加载装置1（见照片②）撤去方案（1）中一边的试件组，在钢梁对应位置的下翼缘加“支座”（铰支座），千斤顶的压力由钢梁传

6、递给另一边的试件组，实现对高强螺栓加载。为了保证加载方便和减小晃动，千斤顶的力臂应尽可能的大，即千斤顶尽可能的靠近试件组。方案三单边加载装置2（见照片③）事先加工一个连接件，见图2所示，连接件上下各为一块20mm厚钢板，中间按M30封板要求开孔［5］。连接件上下各带一个M30螺栓，代替原M30试件。其加载与方案二相同。照片②单边加载装置1照片③单边加载装置22.2试验步骤(1)首先采用方案一试验装置，按照荷载由小到大的顺序进行加载，完成M20常幅疲劳破坏试验。(2)在M20常幅疲劳试验过程中，若某个螺栓的循

7、环次数已超过预定的循环次数，但仍未破坏。这时就应采用方案二试验装置，将另一边试件撤去，同时支刀口支座，加大应力幅让该螺栓断裂。应力幅的施加应避免在M20破坏过程中M30、M39出现局部塑性变形。(3)完成M20常幅疲劳试验以后，条件许可，仍可采用方案一对M30、M39螺栓加载进行疲劳试验。将两个M39支座组成一个试件组，中间仍采用M30试件连接，另一边加刀口支座，即采用方案二或方案三。由于M30常幅疲劳试验时所加荷载较大，钢梁可能存在刚度不足，建议采用后者更为合理。2.3特点在历时3个月的疲劳试验过程中，采

8、用此装置成功地得到了49个疲劳试验数据。经回归分析表明，得到的S—N曲线相关性较好。另外还进行3个M20高强螺栓的静载试验，通过传感器由函数记录仪绘出M20高强螺栓的静载拉伸曲线。宝贵的疲劳实验数据为后续的理论分析提供了重要依据。实践证明上述的试验装置主要有以下几个特点：（1）平稳方案一中的刚架仅承担试验装置的自重，千斤顶的压力由两边试件组中的抗力相抵消。因此，该试验装置属自平衡系统，不会发生支架松散迫使实验中断