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装配式钢结构用M20扭剪型高强度螺栓群偏心受拉常幅疲劳性能研究

装配式钢结构用M20扭剪型高强度螺栓群偏心受拉常幅疲劳性能研究

引用

作者：吉轩喆太原理工大学

学位级别：硕士

螺栓连接由于安装方便、可靠性高和承载能力强等优点成为了装配式钢结构中应用最广泛的连接形式之一。疲劳累积损伤是螺栓连接的主要失效机制,疲劳破坏的突然性及灾难性使得疲劳问题受到了学者的广泛关注。实际工程中,比起单轴受拉连接... 详细信息

螺栓连接由于安装方便、可靠性高和承载能力强等优点成为了装配式钢结构中应用最广泛的连接形式之一。疲劳累积损伤是螺栓连接的主要失效机制,疲劳破坏的突然性及灾难性使得疲劳问题受到了学者的广泛关注。实际工程中,比起单轴受拉连接,更为常见的是螺栓群的偏心受拉连接。然而《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中尚无对应的连接类别参数,标准中连接类别为Z11和J2(即螺栓受轴向拉伸作用与螺栓受纯剪切作用)的疲劳计算参数不能满足对该受力状态下螺栓疲劳寿命评估的要求。本文以新型装配式柱座节点与梁通过高强度螺栓外伸端板连接的试件为载体,以偏心受拉的扭剪型M20高强度螺栓群为研究对象,进行了疲劳试验、数值模拟及相关的理论研究,主要工作如下:(1)自行设计了与AMSLER疲劳试验机相配套的加载装置,通过试验研究了装配式钢结构用M20扭剪型高强度螺栓群偏心受拉的常幅疲劳性能,得到了9个常幅疲劳数据,经回归分析得到了常幅疲劳S-N曲线并建立了相应的常幅疲劳设计方法。(2)在分析总结外伸端板连接中高强度螺栓群和撬力的计算方法和研究成果的基础上,采用ABAQUS软件进行实体建模分析,考虑了材料非线性、几何非线性、高强度螺栓的预拉力和部件之间的接触等因素。以梁端板厚度、柱座节点壁厚、螺栓预拉力和螺栓直径为参数,得到了共9组试件在转角为0.082rad时的节点、螺栓变形及应力云图和整个加载过程中不同位置螺栓的拉应力分布及变化情况。据此探讨高强度螺栓外伸端板连接各参数对螺栓群受拉性能的影响。(3)采用TM3000电子显微镜,对疲劳断口进行了宏观到微观的对比分析,揭示了高强度螺栓群偏心受拉疲劳破坏机理,疲劳断口均呈现出疲劳源区、扩展区和瞬断区三个具有不同形貌特征的区域。(4)本文依据国内外设计规范的指导,进行了装配式柱座节点与梁外伸端板连接的传力机理及各个组件承载力的理论研究,为推动柱座节点的标准化设计提供参考。

关键词： M20扭剪型高强度螺栓螺栓群偏心受拉常幅疲劳性能梁柱节点外伸端板连接

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装配式钢结构用M20扭剪型高强度螺栓轴拉常幅疲劳性能试验研究

装配式钢结构用M20扭剪型高强度螺栓轴拉常幅疲劳性能试验研究

引用

作者：申彧太原理工大学

学位级别：硕士

装配式钢结构建筑作为绿色建筑发展重要组成,是落实我国“2030碳达峰、2060碳中和”目标的重要抓手和措施,高强度螺栓连接作为主要的连接形式之一,因其强度高、施工简便、利于装配和技术成熟等优点应用愈加广泛。本文以M20扭剪型高强度... 详细信息

装配式钢结构建筑作为绿色建筑发展重要组成,是落实我国“2030碳达峰、2060碳中和”目标的重要抓手和措施,高强度螺栓连接作为主要的连接形式之一,因其强度高、施工简便、利于装配和技术成熟等优点应用愈加广泛。本文以M20扭剪型高强度螺栓连接副为研究对象,针对其疲劳性能、应力集中以及断口分析三个方面进行分析研究,完成了常幅疲劳试验、有限元数值模拟、断口宏微观分析等工作,主要研究内容及研究结论如下:1.利用自行设计的满足强度及刚度要求的T型连接件,在MTS疲劳试验机上完成了 M20扭剪型高强度螺栓的材性试验和轴拉常幅疲劳试验,得到了 12个满预拉力下的常幅疲劳数据和10个无预拉力下的常幅疲劳数据,拟合出以最大应力和应力幅为参量的S-N曲线。将疲劳试验数据与试验中利用动态应变仪测出的实测应力数据进行对比,绘制出以实测应力幅为参量的S-N曲线,统计出实测应力幅与名义应力幅的大小比值关系,得到预拉力下高强度螺栓受力随外力变化的趋势。并将试验数据与团队研究的不同材质和预拉力的高强度螺栓疲劳数据进行比较,得出材质和预拉力对高强度螺栓疲劳强度的影响程度。2.使用ABAQUS软件对高强度螺栓连接副和T型件进行建模,计算得出螺栓光杆处和螺纹处的应力分布规律,并对不同螺纹处的应力集中情况进行研究,还对不同预拉力下螺纹最大应力情况进行对比,得到预拉力和螺纹最大应力的对应关系,最后计算出不同内露螺纹数下的应力集中系数。基于有限元计算结果,以热点应力幅为参量绘制S-N曲线,认为以热点应力幅参量作为描述高强度螺栓疲劳破坏的依据更为合理。3.对疲劳断口从不同维度进行分类研究,从宏、微观角度得到了不同区域的疲劳断口特征,得出疲劳源数量、瞬断区面积、疲劳条带等与应力幅之间的关系,且发现同一应力幅下的疲劳断口宏观上有一定的相似性。最后对所有疲劳断口的宏、微观特征进行统计汇总,并揭示了高强度螺栓的疲劳破坏机理。4.利用Neuber公式法、Peterson公式法和应力梯度法三种方法计算出各自的疲劳缺口系数Kf,并对三种计算方法进行比较评述得出较为精确的Kf。并借助允许名义应力幅法建立M20高强度螺栓在有预拉力和无预拉力的疲劳设计方法,借助允许热点应力幅法建立M20高强度螺栓无预拉力下的疲劳设计方法。

关键词： M20扭剪型高强度螺栓常幅疲劳性能疲劳试验预拉力疲劳设计方法

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