鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接疲勞性能試驗(yàn)研究

陳強(qiáng)，鐘志強(qiáng)，李葳

（1. 蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100073；2. 安徽金星預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，安徽 合肥 231135；3. 中國鐵道科學(xué)研究院 科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081）

鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接疲勞性能試驗(yàn)研究

陳強(qiáng)1，鐘志強(qiáng)2，李葳3

（1. 蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100073；2. 安徽金星預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，安徽 合肥 231135；3. 中國鐵道科學(xué)研究院 科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081）

基于“等強(qiáng)度連接”設(shè)計(jì)原則，采用常用3種直徑的鋼筋，結(jié)合螺紋接觸力學(xué)計(jì)算與加工難易程度，選定疲勞性能試驗(yàn)研究的連接件規(guī)格，并進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：（1）除Φ32 mm、P=3.0 mm鐓粗直螺紋連接接頭的結(jié)果不滿足100 MPa應(yīng)力幅、200萬次疲勞循環(huán)試驗(yàn)外，其余連接件均能滿足要求，且滾軋直螺紋連接組件的S-N曲線最為平緩，疲勞性能最好，擠壓型連接形式次之，鐓粗直螺紋連接形式效果最差；（2）從螺距上比較，2.5 mm螺距的連接形式得出S-N曲線最為平緩，疲勞性能較好，2.0 mm、3.0 mm基本相當(dāng)；（3）當(dāng)采用所有的試驗(yàn)樣本進(jìn)行S-N曲線回歸分析后，曲線的斜率為-0.206 62，與歐洲規(guī)范規(guī)定斜率-0.2誤差3.31%，連接件設(shè)計(jì)合理，工藝可靠；（4）疲勞斷口多發(fā)生在連接件之外鋼筋母材的第一圈螺紋處，與滾壓、鐓粗和擠壓對鋼筋母材的影響規(guī)律一致。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可參考?xì)w一化分析的S-N曲線，選定合理的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命，確保結(jié)構(gòu)的疲勞性能滿足使用要求。

機(jī)械連接；疲勞性能；螺紋鋼筋；粗鋼筋；S-N曲線；等強(qiáng)度連接

0 引言

現(xiàn)澆混凝土施工中，粗鋼筋連接最為常見，國內(nèi)外早期都采用傳統(tǒng)的綁扎法，該法具有施工簡便、對工人要求低、不受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在浪費(fèi)鋼材及鋼筋偏心連接會產(chǎn)生附加剪應(yīng)力等缺點(diǎn)。為解決上述問題，美國、日本、德國在20世紀(jì)70年代中期，研制出機(jī)械連接技術(shù)，如冷擠壓連接、錐螺紋連接、直螺紋連接等，并制定相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在公路橋梁、地鐵核電站、大跨度抗震結(jié)構(gòu)中。對粗鋼筋而言，機(jī)械連接技術(shù)已取代傳統(tǒng)的焊接綁扎工藝，在公路橋梁、水壩以及大型重點(diǎn)建筑工程中廣泛應(yīng)用[1-2]。劉永頤等[3]在鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程編制方面做了大量工作，引領(lǐng)了中國機(jī)械連接方式的潮流。中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所[4]測試了套筒擠壓接頭的抗疲勞性能與套筒擠壓道次的關(guān)系，為套筒擠壓接頭應(yīng)用到動載結(jié)構(gòu)做出一定鋪墊。邢懷念等[5]開展了直螺紋套筒連接性能試驗(yàn)研究，而對于錐螺紋連接技術(shù)，陶詠等[6]給出了一系列的螺紋牙距推薦值，并取得良好的實(shí)際效益。在眾多國內(nèi)外學(xué)者試驗(yàn)、研究成果的基礎(chǔ)上，國內(nèi)相關(guān)部門組織編寫了相應(yīng)的規(guī)范（或規(guī)定），作為鋼筋機(jī)械連接技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)[7-9]，極大促進(jìn)了連接技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。已有的研究文獻(xiàn)大多以試驗(yàn)性的探索為主，側(cè)重于連接件工藝改進(jìn)[10-11]，缺乏系統(tǒng)的理論及試驗(yàn)研究。近年來，鐵路工程快速修建，大量應(yīng)用的粗鋼筋均需要采用機(jī)械連接技術(shù)，以保證鋼筋連接的有效性和經(jīng)濟(jì)性。原鐵道部組織編寫了《鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接技術(shù)暫行規(guī)定》[12]（簡稱《暫規(guī)》），開啟了相關(guān)規(guī)范的完善工作，通過設(shè)立部分科研課題，系統(tǒng)研究鐵路混凝土工程用鋼筋機(jī)械連接技術(shù)?；凇暗葟?qiáng)度連接”原則，采用常用3種直徑的鋼筋，開展鋼筋機(jī)械連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合螺紋接觸力學(xué)計(jì)算、連接件加工工藝試驗(yàn)及靜力性能試驗(yàn)研究結(jié)果，優(yōu)選出直螺紋連接的螺紋間距。在此基礎(chǔ)上，開展連接件疲勞性能試驗(yàn)研究，驗(yàn)證鋼筋機(jī)械連接的動力學(xué)特性，進(jìn)一步補(bǔ)充完善《暫規(guī)》中的疲勞性能條文，促進(jìn)鋼筋機(jī)械連接技術(shù)在鐵路混凝土工程中的進(jìn)一步應(yīng)用。

1 鐵路混凝土工程機(jī)械連接組件的疲勞試驗(yàn)

螺紋連接的疲勞破壞是實(shí)際中最常遇到的破壞形式之一，威爾荷姆（Wilhelm）研究了200例螺紋連接的失效案例，其中50%以上的破壞形式均屬于疲勞破壞。大部分螺紋疲勞斷裂發(fā)生在承力第一圈螺紋牙處，該處螺紋的疲勞強(qiáng)度只有同直徑光滑試件的1/8～1/2。

《暫規(guī)》明確規(guī)定了滾軋直螺紋、鐓粗直螺紋、套筒擠壓等3種機(jī)械連接件適用于以承受靜力為主（動應(yīng)力幅不大于35 MPa）的鐵路混凝土結(jié)構(gòu)中；《通用技術(shù)規(guī)程》第3.0.8條規(guī)定：對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，接頭應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求的抗疲勞性能。當(dāng)無專門要求時(shí)，對連接HRB335級鋼筋的接頭，其疲勞性能應(yīng)能經(jīng)受應(yīng)力幅為100 MPa，最大應(yīng)力為180 MPa的200萬次循環(huán)加載。試驗(yàn)選擇疲勞的最不利狀態(tài)，即鋼筋的最大應(yīng)力取300 MPa，應(yīng)力幅依次取280 MPa、230 MPa、210 MPa、200 MPa、190 MPa、100 MPa開展疲勞性能試驗(yàn)研究。

1.1 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力幅及加載設(shè)置

直螺紋連接組件疲勞強(qiáng)度及荷載設(shè)置見表1。對于擠壓連接件，考慮到其材料的力學(xué)指標(biāo)，將最大應(yīng)力降低240 MPa，相應(yīng)的最大應(yīng)力幅取230 MPa，而后依次減小應(yīng)力幅開展疲勞試驗(yàn)。

1.2 不同直徑鋼筋接頭螺距的確定

表1 直螺紋連接組件疲勞強(qiáng)度及荷載設(shè)置

通過接頭靜力性能試驗(yàn)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合現(xiàn)場絲頭加工的難易程度，對鐓粗、滾軋連接接頭的螺距進(jìn)行優(yōu)選，最終確定3種直徑鋼筋連接接頭的優(yōu)選螺距：Φ16 mm取2.0 mm、Φ25 mm取2.5 mm、Φ32 mm取3.0 mm。

1.3 試驗(yàn)前對鋼筋連接件應(yīng)力集中部位進(jìn)行處理

1.4 疲勞性能試驗(yàn)方法

常規(guī)的試驗(yàn)方法一般由高應(yīng)力值開始，逐漸降低應(yīng)力水平，記錄在各級應(yīng)力值下的疲勞壽命，直到完成全部試驗(yàn)，即可確定一條通用的S-N曲線。試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，滾軋、鐓粗直螺紋接頭疲勞試驗(yàn)最大應(yīng)力取300 MPa，改變最小應(yīng)力，進(jìn)行拉-拉循環(huán)加載；擠壓套筒連接接頭疲勞試驗(yàn)最大應(yīng)力取230 MPa，改變最小應(yīng)力，進(jìn)行拉-拉循環(huán)加載，最終獲得機(jī)械連接試件的疲勞S-N曲線。

疲勞試驗(yàn)在中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室美國MTS-500 kN電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。連接試件的疲勞試驗(yàn)見圖1，疲勞試驗(yàn)部分試件見圖2。

2 疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)概況

針對每一種、每一根連接件試件，通過疲勞試驗(yàn)獲取不同的應(yīng)力幅、加載頻率、循環(huán)應(yīng)力、應(yīng)力比條件下每一個(gè)試件的疲勞壽命，并對試件疲勞斷裂斷口進(jìn)行特征描述和分類。試件疲勞斷口基本位于連接件端部的鋼筋母材上，極少數(shù)斷口出現(xiàn)在車圓變截面處。斷口位于夾持部位的試件均為非有效試件，不用于數(shù)據(jù)擬合分析，確保擬合曲線的準(zhǔn)確性。

（1）液相色譜條件：Agilent 1200 G1312B高效液相色譜儀；4000 Q TRAP型三重四級桿-離子肼離子肼質(zhì)譜；XbridgeTM-C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm）；填充劑為十八烷基硅烷鍵合硅膠；流動相為乙腈-1%氨水溶液，梯度洗脫：0～45 min，15%～60%乙腈；45～55 min，60%乙腈；柱溫25 ℃；體積流量1 mL/min，檢測波長230 nm；進(jìn)樣量5 μL。理論塔板數(shù)按烏頭堿計(jì)算不低于6 500。

圖1 連接試件的疲勞試驗(yàn)

圖2 疲勞試驗(yàn)部分試件

2.2 S-N曲線回歸分析

3種直徑鋼筋3種接頭連接方式的9組試件，每組各完成12～16個(gè)不同高應(yīng)力幅的疲勞試驗(yàn)，回歸的S-N曲線見圖3—圖7，9種連接形式S-N曲線回歸結(jié)果見表2。

分析表中的S-N曲線方程可知，回歸曲線斜率為-0.210 76～-0.266 30，截距值為3.430 66～3.763 30；200萬次疲勞壽命對應(yīng)的應(yīng)力幅為107～133 MPa（Φ32 mm、P=3.0 mm鐓粗直螺紋200萬次疲勞壽命對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度為96 MPa，不滿足《暫規(guī)》）；100 MPa應(yīng)力幅對應(yīng)的疲勞壽命為269萬～650萬次。

圖3 Φ16 mm、P=2.0 mm直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖4 Φ25 mm、P=2.5 mm直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖6 Φ16 mm、Φ25 mm擠壓套筒連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

為了更好地利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將同一鋼筋直徑的滾軋和鐓粗直螺紋連接組件疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合回歸分析，結(jié)果見圖8—圖10，3種直徑不同連接形式S-N曲線回歸結(jié)果見表3。

圖7 Φ32 mm擠壓套筒連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

表2 9種連接形式S-N曲線回歸結(jié)果（保證率95%）

圖8 Φ16 mm機(jī)械連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖9 Φ25 mm機(jī)械連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖11—圖13為鐓粗直螺紋、滾軋直螺紋及擠壓型連接組件的疲勞試驗(yàn)綜合回歸分析，3種連接形式S-N曲線回歸結(jié)果見表4。

圖14—圖16為不同螺距連接組件的疲勞試驗(yàn)綜合回歸分析，3種不同螺距連接形式S-N曲線回歸結(jié)果見表5。

圖17為本次試驗(yàn)所有連接件的疲勞結(jié)果綜合回歸分析，回歸曲線方程為：

log（△σ）=3.379 31-0.206 62 log（N）。

圖10 Φ32 mm機(jī)械連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

表3 3種直徑不同連接形式S-N曲線回歸結(jié)果（保證率95%）

圖11 鐓粗直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖12 滾軋直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖13 擠壓型連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

表4 3種連接形式S-N曲線回歸結(jié)果（保證率95%）

圖14 P=2.0 mm時(shí)直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖15 P=2.5 mm時(shí)直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

從疲勞試驗(yàn)S-N曲線圖獲得的回歸方程可以推出，除Φ32 mm、P=3.0 mm鐓粗直螺紋連接接頭的結(jié)果不滿足100 MPa應(yīng)力幅、200萬次疲勞循環(huán)試驗(yàn)外，其余的均能滿足要求。從連接形式來看，滾軋直螺紋連接組件的疲勞S-N曲線最為平緩，其疲勞性能最好，擠壓型連接形式次之，鐓粗直螺紋連接形式效果欠佳。當(dāng)采用大量的數(shù)據(jù)回歸后，雖然疲勞強(qiáng)度能滿足規(guī)范要求，但是富余量較小。從螺距上比較，2.5 mm螺距的連接形式最為平緩，疲勞性能較好，2.0 mm、3.0 mm基本相當(dāng)。當(dāng)采用所有的樣本進(jìn)行S-N曲線回歸分析后，曲線的斜率為-0.206 62，與歐洲規(guī)范成果斜率-0.2非常吻合，相對誤差僅為3.31%。

圖16 P=3.0 mm時(shí)直螺紋連接組件疲勞S-N擬合曲線（保證率95%）

圖17 機(jī)械連接疲勞S-N綜合回歸擬合曲線（保證率95%）

表5 3種不同螺距連接形式S-N曲線回歸結(jié)果（保證率95%）

依據(jù)《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》第3.0.8條規(guī)定，對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，接頭應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求的抗疲勞性能。當(dāng)無專門要求時(shí)，對連接HRB335級鋼筋的接頭，其疲勞性能應(yīng)能經(jīng)受應(yīng)力幅為100 MPa，最大應(yīng)力為180 MPa的200萬次循環(huán)加載。對連接HRB400級鋼筋的接頭，其疲勞性能應(yīng)能經(jīng)受應(yīng)力幅為100 MPa，最大應(yīng)力為190 MPa的200萬次循環(huán)加載。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對每種連接形式均作了疲勞驗(yàn)證。

3 試件破壞形式及原因分析

試驗(yàn)結(jié)束后，對131根疲勞試件的破壞特征進(jìn)行分類（不包含15根未破壞的疲勞性能驗(yàn)證性試件）。試件的疲勞破壞形式主要有4種（見圖18）。

（1）A型斷口，位于連接件端部的母材上（鋼筋1~2圈螺紋處），該類試件總計(jì)126根，占總試件數(shù)量的96.2%；

（2）B型斷口，位于遠(yuǎn)離連接件端部的母材上，該類試件數(shù)量極少，僅1根；

（3）C型斷口，位于鋼筋端部車圓變截面處（無效試件），該類試件2根；

（4）D型斷口，連接件本身破壞，該類試件2根。

圖18 連接組件疲勞破壞形式

對于滾軋直螺紋連接接頭，源于接頭螺紋在滾壓過程中發(fā)生滾壓強(qiáng)化，利用鋼的彈塑性使金屬表面產(chǎn)生一個(gè)塑性變形層從而達(dá)到強(qiáng)化的目的，滾壓后的變形層內(nèi)由于形變造成很高的宏觀殘余壓應(yīng)力、變形層內(nèi)位錯密度升高和位錯組態(tài)的改變，以及螺紋根部圓角表面粗糙度的降低，使得螺紋在承受交變荷載時(shí)，疲勞強(qiáng)度大幅提高。因此，滾軋直螺紋連接接頭的疲勞破壞大多是在第一圈承力螺紋牙處。

對于鐓粗直螺紋接頭，由于在冷作硬化后進(jìn)行車螺紋加工，鋼筋部分纖維組織在鐓粗后斷裂，以及加工螺紋表面的粗糙度與套筒相近；而套筒材料強(qiáng)度比母材大，因此，鐓粗直螺紋連接接頭的疲勞破壞都是在套筒端部的母材上。

對于擠壓套筒的疲勞破壞形式，斷口均在套筒某一端的最后一道壓痕處的鋼筋母材上，由于鋼套筒在擠壓過程中，擠壓對套筒及母材產(chǎn)生不利影響，容易在擠壓處鋼筋產(chǎn)生疲勞源，此疲勞源從鋼筋橫肋根部開始擴(kuò)展，最后形成疲勞斷口。

綜合疲勞試件的破壞模式與原因可知，為確保鋼筋機(jī)械連接的疲勞性能，務(wù)必重視連接件端部鋼筋母材的螺牙加工質(zhì)量（承載螺牙1~2圈處），盡量減少應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞源。

4 結(jié)論

根據(jù)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果綜合分析得出如下結(jié)論：

（1）除Φ32 mm、P=3.0 mm鐓粗直螺紋連接接頭的結(jié)果不滿足100 MPa應(yīng)力幅、200萬次疲勞循環(huán)試驗(yàn)外（樣本逐漸增多時(shí)，回歸結(jié)果也能滿足要求），其余均能滿足要求。從連接形式上來看，滾軋直螺紋連接組件的疲勞S-N曲線最為平緩，疲勞性能最好，擠壓型連接形式次之，鐓粗直螺紋連接形式效果最差。從螺距上比較，2.5 mm螺距的連接形式最為平緩，疲勞性能較好，2.0 mm、3.0 mm基本相當(dāng)。當(dāng)所有樣本進(jìn)行S-N曲線回歸分析后，曲線斜率為-0.206 62，與歐洲規(guī)范斜率-0.2非常吻合，表明連接件的設(shè)計(jì)合理，工藝可行可靠，疲勞驗(yàn)證效果良好。

（2）源于滾軋直螺紋接頭的接頭螺紋在滾壓過程中發(fā)生滾壓強(qiáng)化，其疲勞強(qiáng)度大幅提高，接頭的疲勞破壞大多是在第一圈承力螺紋牙處；鐓粗直螺紋接頭由于在冷作硬化后進(jìn)行車螺紋加工過程，鋼筋部分纖維組織在鐓粗后被斷裂，以及加工螺紋表面的粗糙度與套筒相近，而套筒材料強(qiáng)度比母材強(qiáng)度大，疲勞破壞大多位于套筒端部的鋼筋母材上；擠壓套筒的疲勞破壞斷口均在套筒某一端的最后一道壓痕處的鋼筋母材上，由于鋼套筒在擠壓過程中，擠壓對套筒及母材產(chǎn)生的不利影響，容易在擠壓處鋼筋產(chǎn)生疲勞源，此疲勞源從鋼筋橫肋根部開始擴(kuò)展，最后形成疲勞斷口。

（3）綜合分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果可得，連接件設(shè)計(jì)及鋼筋機(jī)械連接加工工藝可行，能夠滿足200萬次疲勞壽命、100 MPa應(yīng)力幅的要求?？紤]到鐵路疲勞壽命的要求更高，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)單位可參考?xì)w一化分析的S-N曲線，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)本身的疲勞性能要求，自行確定疲勞壽命，確保工程結(jié)構(gòu)的疲勞性能滿足使用要求。

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責(zé)任編輯 苑曉蒙

Research on Fatigue Test of Reinforcing Steel Mechanical Connection in Railway Concrete Engineering

CHEN Qiang1，ZHONG Zhiqiang2，LI Wei3
（1. Mengxi Huazhong Railway Co Ltd，Beijing 100073，China；2. Anhui Jinxing Prestress Engineering Technique Co Ltd，Hefei Anhui 231135，China；3. Scientif c & Technical Information Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Based on the design principle of ‘equal strength connection’, reinforcing steel of three commonly used diameters was adopted in this paper, combined with the calculation of thread contact mechanics and diff culty of processing, the type of connecting piece used in fatigue test research was chosen, and the fatigue test research was carried out, coming to the following conclusions:(1) Except the D32-3.0 upsetting straight thread connector which fails to meet the requirement of fatigue cycle test under the condition of 100 MPa stress amplitude and 2 million times, all other connectors could meet the requirement, with rolled straight thread having the f attest fatigue S-N curve and the best fatigue performance. The extrusion connector comes the second, while upsetting straight thread connector has the worst performance；(2) By comparing screw pitch, the 2.5 mm pitch connection generates the f attest S-N curve and performs the best. The 2.0 mm and 3.0 mm take on almost the same performance；(3) By implementing the S-N curve regression analysis of all test samples, the slope of the curve turns out to be -0.206 62, which has a 3.31% deviation from -0.2% slope set out in the European standards. The connector has reasonable design and reliable techniques；(4) Most of the fatigue fractures occur at the f rst thread turn of reinforcing steel base metal, which is in compliance with the rule in terms of the inf uence exerted by rolled, upsetting and extrusion on reinforcing steel base metal. In practice, the S-N curve of normalized analysis could be referred to, in order to choose the suitable fatigue strength and fatigue life, and to ensure that the fatigue performance of structure could satisfy the operating requirements.

mechanical connection；fatigue performance；thread reinforcing steel；steel bar；S-N curve；equal strength connection

TU513

A

1001-683X（2017）03-0059-09

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.059

2016-05-20

南廣鐵路公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（南廣工合201107）

陳強(qiáng)（1972—），男，研究員，博士。E-mail：chenqiang2127@126.com