钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓承载性能

研制开发出钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓STUCK-BOM,并针对6种不同型号的8.8级单向螺栓进行了单个螺栓的轴向拉伸和剪切的静力试验,每个螺栓均进行了多种钢板厚度的试验。通过试验得到了国产自锁式8.8级单向螺栓在轴向拉力和剪力作用下的荷载-位移曲线,由此获取了单个单向螺栓抗拉极限承载力、抗剪极限承载力及初始刚度等力学性能指标。结果表明:除了用于连接钢板较薄的情况,国产自锁式8.8级单向螺栓的抗拉承载力和同等级承压型高强螺栓相同,抗剪承载力优于同等级承压型高强螺栓,满足工程应用的需求,为钢结构用国产自锁式8.8级单向螺栓的工程应用提供基础数据和依据。

8.8级拼接锚栓单向拉伸试验

为了研究采用钢螺纹套筒连接2个8.8级螺栓所组成的拼接锚栓的拉伸性能,对12组36个8.8级拼接锚栓试件进行拉伸试验,以确定不同直径的螺栓和钢螺纹套筒的连接长度,进而确定不同直径锚栓钢螺纹套筒的下料长度;为了确定套筒连接的影响,对4组12个8.8级螺栓进行拉伸试验,并与拼接锚栓试件试验结果进行对比分析。结果表明:当螺杆直径d为16 mm,两螺杆与钢螺纹套筒的连接长度均为0.75 d(螺杆拧入套筒7丝扣)时,试件的破坏均为螺杆从钢螺纹套筒中拔出,其余拼接锚栓试件破坏均为套筒外螺杆被拉断;在相同连接长度下,不同直径不同螺距试件的螺杆螺纹平均挤压应力、平均剪切应力、平均弯曲应力大小相差很小,说明在螺杆与钢螺纹套筒连接长度范围内,3种应力的大小只与直径倍数的连接长度有关;同一直径螺杆单边连接长度越小,拼接锚栓拉伸变形能力越好,拼接锚栓的延性越好,建议螺杆与套筒单边连接长度为螺杆直径的1倍(16,20,24 mm直径的螺杆拧入套筒9丝扣,27 mm直径的螺杆拧入套筒10丝扣),这样既能保证不发生螺杆从套筒中拔出的现象,也能使锚栓有较好的延性;螺杆试件抗拉强度比拼接锚栓试件略高,但相对于螺杆刚度,拼接锚栓试件刚度略有退化。

基于3D-DIC技术的8.8级高强螺栓延性断裂研究

应力三轴度是控制建筑结构钢材延性断裂的一项重要因素。以国产8.8级高强螺栓为试验材料,借助三维数字成像技术(Three-Dimensional Digital Image Correlation,3D-DIC)研究了典型建筑结构钢材在高应力三轴度水平的断裂行为。研究结果表明:对于建筑结构钢,应力三轴度和断裂应变间呈典型的线性相关关系,据此提出了应力三轴度的简化计算方程;Johnson-Cook断裂模型可以有效反映8.8级高强螺栓的应力三轴度—断裂应变关系,并给出了相应的断裂参数。

8.8级M24高强螺栓的常幅疲劳性能试验研究

为研究8.8级高强螺栓“轴心拉-拉”常幅疲劳性能,对材质为35K的M24高强螺栓进行了3个试件静力拉伸试验和15个试件(应力比为0.3)的常幅疲劳试验,拟合了S-N曲线,对代表性试件疲劳断口进行宏观和微观分析,并与基于GB 50017—2017《钢结构设计标准》相关公式的计算结果进行了对比。结果表明:疲劳试验数据总体较为离散,但均在95%置信区间内,拟合的S-N曲线基本反映不同应力幅下试件的疲劳寿命;试件缺口效应明显,尤其在螺栓螺纹齿根处,应力集中程度严重,点状疲劳源易扩展形成线状疲劳源,断口韧窝特征明显;相比标准建议值,试验所得2×106次对应疲劳强度为其1.61倍。

基于8.8级螺栓疲劳性能的预紧力优化

测量了8.8级螺栓的拉伸性能,根据螺栓材料的强度极限和屈强比研究了预紧力分别为强度的10%、30%和50%的极限条件下材料的疲劳性能。结果表明,当8.8级螺栓的预紧应力从10%强度极限提高到50%强度极限时,其疲劳极限由370 MPa降低到263 MPa。根据有效应力(σˉσˉ)参数法处理预紧应力对8.8级螺栓疲劳曲线的影响,得到了疲劳极限处的有效应力(σˉ10^7=562.75MPaσˉ10^7=562.75MPa)。当有效应力σˉ<σˉ10^7σˉ<σˉ107时预紧的8.8级螺栓不会发生疲劳失效,由此得到了8.8级M6和M27两种螺栓在不同应力比下所对应的最大预紧力和预紧扭矩曲线。

8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为

针对紧固螺栓在不同预紧力下的疲劳可靠性问题,对ML40Cr钢母材进行拉-拉疲劳和对称三点弯曲实验,研究输电铁塔用8.8级紧固螺栓用钢的疲劳性能和裂纹扩展行为。拉-拉疲劳实验的结果表明,在不同应变幅的疲劳加载条件下,以材料抗拉强度的50%作为平均应力时ML40Cr光滑试样的疲劳极限为263 MPa,缺口试样的疲劳极限为95 MPa。用有效应力(σ)参数法处理平均应力对ML40Cr疲劳曲线的影响,得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的疲劳缺口敏感度为0.31。依据对称三点弯曲实验的疲劳实验结果,得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的裂纹扩展速率关系式为da/d N=10-10(?K)2.2。探讨ML40Cr用钢的缺口疲劳强度和疲劳裂纹扩展机制。