螺栓连接的疲劳强度受多种因素影响，弄清其影响因素

作者：郭洪超，万金怀，刘云鹤，王德发，李彦龙（西安理工大学，陕西西安 710048）

介绍

螺栓连接的疲劳强度受螺栓预紧力、布置方式、摩擦表面处理、钢种、螺栓孔比等多种因素影响[1]。Benhamena等[2-3]研究发现，螺栓预紧力较低时，裂纹出现在容易发生应力集中的螺栓孔处。增加螺栓预紧力可减小应力集中的影响，开裂位置转移到孔前粗糙截面，提高疲劳寿命。Minguez[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，疲劳寿命变化不大，双搭接螺栓连接预紧力越大，疲劳寿命越高。Chakherlou[5]研究发现，板的摩擦系数会影响开裂位置，实验中，过度润滑的接触面使摩擦系数降低，裂纹位置向孔边缘转移，疲劳寿命降低；Saranik[6]等[7]研究发现，板的摩擦系数会影响开裂位置。 研究了螺栓连接的低周疲劳性能，在重复激励下，螺栓松弛，连接板轻微滑移，应力重新分布，逐渐发生疲劳损伤；Josi[7]等对双搭接错孔的疲劳性能进行了试验研究。为了在疲劳寿命计算中考虑平均应力的影响，基于应力应变法提出了Morrow[8]和SWT[8]模型，两种模型都能很好地预测试件的疲劳寿命；刘[9]等将非线性疲劳累积原理与随机SN曲线相结合，提出了一种预测变幅载荷下随机疲劳寿命的方法。

螺栓连接具有良好的滞后转角能力和耗能性能，目前国内对高强钢螺栓连接疲劳性能的研究十分有限，深入了解其疲劳性能、了解其影响因素，对于高强钢连接节点的合理设计、高强钢的工程应用推广具有重要意义[10-11]。本文对Q690D高强钢螺栓连接疲劳失效机理进行深入研究，与现行规范进行对比分析，探讨钢材强度对疲劳寿命的影响，评估应力集中、螺栓预紧力对疲劳寿命的影响。

1 实验概述

1.1 试样设计

为进一步研究高强钢螺栓连接的疲劳失效机理及性能，本次试验设计了3组试件，分别为母材、穿孔板、螺栓连接。试件几何形状如图1～图3所示。穿孔板试件孔径为22 mm。螺栓连接试件采用10.9级M20高强螺栓，施加扭矩为510 N·m，螺栓孔径为22 mm，边距、端距、螺栓距满足GB50017的连接施工要求。试验所用钢材为首钢厂生产的8 mm厚Q690D轧材，钢材化学成分如表1所示。

1.2 材料性能测试

按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 208.1-2010）的规定进行材料试验，测得Q690D钢的应力-应变曲线如图4所示，对应的力学性能如表2所示。对母材、穿孔板和螺栓连接试件进行静态拉伸试验，其屈服载荷如表3所示，根据屈服载荷确定疲劳试验的加载值。

1.3 装载方案

疲劳加载在MTS322电液伺服疲劳试验系统上进行（见图5），采用等幅正弦加载，循环加载应力比R=0.1，频率15~30Hz。试验中加入的初始载荷根据试件的屈服强度确定，最大应力Smax为0.6fy~0.8fy，采用小试样提拉法调整加载系数，使其趋近疲劳极限，即试件破坏200万次时对应的应力水平。试验过程中如出现异常、断裂或循环系数达到200万次则停止试验。

共进行39个试件的疲劳加载试验，表4~表6分别列出了Q690D母材、穿孔板和螺栓连接试件的主要试验参数及结果。

2. 测试结果分析

根据试验数据进行回归分析，确定SN曲线，疲劳寿命N与最大应力S可表示为：

其中：a、b为待确定的拟合参数。用拟合的SN曲线减去1.645倍标准差，可得到95%置信率的计算公式：

表4中，母材试件A-6在低应力水平下疲劳寿命较低，拟合曲线时剔除；试件A-11、A-12在200万次加载下未发生断裂，但其应力水平较低，因此为低应力试件，拟合曲线时未采用。

载荷系数为250.51～438.40 MPa，对应的疲劳寿命为2.0×106～111941次；当载荷系数为0.43时，试件B-9和B-11的疲劳寿命明显偏低，在拟合曲线时予以剔除。

表6中Smax为第一排螺栓孔前粗糙截面的最大应力，计算中忽略高强度摩擦螺栓连接前端力的影响，拟合曲线时剔除异常试件C-6和疲劳寿命较低的试件C-12。

对有效试验数据进行回归分析，可得到公式（2）中的a、b值及标准差σ，详细结果如表7所示。

根据元器件类型及连接方式不同，C、β、Cf的取值如表8所示：

拟合结果与标准方法疲劳寿命预测结果对比如图6所示，确定200万次循环疲劳极限值如表9所示。

从图表中我们可以看出：

（1）所有数据均在95%置信区间内，SN曲线呈正态性，拟合曲线误差较小，具有一定的可靠性。

（2）Q690D母材试验数据分布比较离散，疲劳寿命60万次至200万次之间基本没有数据分布，95%保证率下的疲劳极限为GB50017的理论计算。

AISC360计算值分别为计算值的2.7倍、AISC360理论计算值的3倍，规范明显低估了Q690D母材的疲劳寿命。

（3）穿孔板试验数据分布与母材试验数据分布相似，在疲劳寿命70万次与200万次之间几乎没有数据分布，95%保证率对应的疲劳极限分别比GB50017和AISC360的理论计算值高出76.02%和131.77%，高强钢穿孔板的疲劳性能优于规范的理论计算值。

（4）螺栓连接试验数据分布范围较母材和穿孔板更宽，95%保证率下的疲劳极限分别比GB50017和AISC360的理论计算值高出47.76%和70.49%，标准曲线对螺栓连接疲劳性能的估计偏保守。

3.应力集中和螺栓预紧力的影响

疲劳试件宏观失效模式如图7所示。母材为有肩部和圆角的板状试件，断裂位置为圆弧向平行截面过渡处。穿孔板疲劳裂纹产生于孔净截面处，螺栓连接处孔周围发生磨损。失效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：

肩板的理论应力集中系数可查阅有关图表得到，母材试件的Kt为1.03，中间设有直径为d的圆孔的有限宽度板的应力集中系数可按公式（6）计算：

式中：2B为板宽，经计算可知，对于穿孔板，Kt=2.30。Shigley等研究表明，穿孔板的应力集中系数为2.5，与上述理论计算结果比较接近；双搭接螺栓连接中，螺栓拧紧后，应力集中系数可降至1.6。取开口处净截面计算公称应力，绘制对比曲线，如图8所示。

母材和带孔板的失效模式反映出疲劳裂纹容易在应力集中处产生。图8表明母材的疲劳极限明显大于带孔板的疲劳极限，说明应力集中系数越大，疲劳极限越低，应力集中程度明显影响疲劳寿命。螺栓的预紧力使螺栓孔周围钢板压缩并径向膨胀，当压缩受到周边约束时，在环向产生压应力，削弱了孔边拉应力引起的应力集中，阻止了净截面处疲劳裂纹的萌生，并将疲劳裂纹转移到孔前方区域。从图8可以看出螺栓连接的疲劳极限大于带孔板的疲劳极限，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、Smin分别为最大应力、最小应力；Nf为疲劳寿命；N为疲劳次数；D为疲劳损伤量。

将回归拟合得到的SN幂函数表达式与公式（9）进行比较，可知母材、穿孔板及螺栓连接的β值分别为13.4718、6.6046、2.8625。再根据公式（8），可绘制出如图9所示的疲劳损伤曲线。

如图9所示，随着疲劳次数的增加，D值缓慢增加，曲线斜率不断增大，损伤发展越来越快。其中，螺栓连接的损伤发展速度最快，其次是穿孔板，母材最慢。对应的应力集中系数为穿孔板最大，螺栓连接次之，母材最小。从应力集中的角度看，损伤发展应该是穿孔板最快，螺栓连接次之，母材最慢，这与损伤曲线所显示的规律不一致。原因可能是螺栓连接的孔边缘存在微磨损，因此其损伤发展速度大于穿孔板。当N与Nf的比值接近1时，D值瞬间增大，说明由于材料损伤，试件有效承载面积减少，剩余截面不足以抵抗外载荷引起的应力，导致瞬时断裂。 瞬时断裂阶段占疲劳寿命的比例极小，反映出快速扩展阶段的寿命不充分。

5 结论

通过对Q690D高强钢母材、穿孔板及螺栓连接试件的疲劳试验研究，得到以下结论：

（1）Q690D高强钢母材、穿孔板、保证率为95%的螺栓连接的疲劳极限分别比按GB 50017计算的理论值高出170%、76.02%、47.76%，比按AISC360计算的理论值高出200%、131.77%、70.49%。这说明钢材的强度等级影响疲劳性能，Q690D钢的疲劳性能较普通钢材具有明显的优势。

（2）疲劳裂纹对应力集中很敏感，应力集中会加速裂纹的萌生，应力集中系数越大，疲劳极限越低。

（3）螺栓预紧可以缓解螺栓孔处的应力集中，延缓疲劳裂纹的产生，有利于提高疲劳强度。

(4)损伤曲线中螺栓连接的损伤发展较快，反映了螺栓连接中可能存在微磨损。

（5）材料缺陷及加工工艺具有随机性，螺栓连接可能存在微磨损，需进一步开展试验分析，才能充分认识Q690D高强钢的疲劳性能。

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参考

[1] 曹新明, 余国印. 螺栓连接疲劳强度影响因素及设计[J].

工业建筑，1986,16(8):14-21

[2] Benhamena A, Amrouche A, Talha A. 接触效应

力对螺栓板微动疲劳行为的影响：

数值与实验分析[J].摩擦学

国际，2012，48：237-245

[3] Benhamena A, Talha A, Benseddiq N 等。

夹紧力对螺栓微动疲劳行为的影响

组合件：钢铝组合箱体[J]。

材料科学与工程A, 2010, 527(23):

6413-6421

[4] Minguez JM、Vogwell J. 扭矩紧固对

螺栓连接疲劳强度研究[J]. 工程

失效分析，2006，13（8）：1410-1421

[5] Chakherlou TN、Razavi MJ、Aghdam AB 等人。

螺栓夹紧力的实验研究

和摩擦对铝疲劳行为的影响

2024-T3合金双剪切搭接接头 [J]. 材料研究学报, 2019, 33(3): 247-249.

设计，2011，32：4641-4649

[6] Saranik M, Lenoir D. 实验与数值研究

螺栓连接疲劳寿命预测方法[J].

进程工程，2013，66：354-368

[7] Josi G, Grondin GY, Kulak GL. 关节疲劳

交错孔[J].桥梁工程学报，2004，

9(6):614-622

[8] Dowling NE.材料的机械行为：

变形、断裂和

疲劳[M].新泽西:Prentice Hall,1993

[9] Liu YM, Mahadevan S. 随机疲劳损伤

变幅载荷作用下的数值模拟[J]。

国际疲劳杂志，2007，29（6）：1149-1161

[10] 宗良, 石刚, 王元清, 等. WNQ570桥梁钢及其对接焊

接头疲劳裂纹扩展性能试验研究[J]. 工程力学，2016，

33(8):45-51(宗良,石刚,王元清等.

疲劳裂纹行为的试验研究

桥梁钢WNQ570母材及对接焊缝[J].

工程力学，2016，33（8）：45-51

[11] 石刚, 张建兴. 高强度结构钢Q460D的疲劳性能[J].

试验研究[J].工业建筑,2014,44(3):6-10(石刚,

张建兴. 高强度钢的疲劳试验

Q460D[J].工业建筑，2014,44(3):6-10(

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