本文是一篇土木工程论文，本文以空间结构销铰节点 M36 螺栓销轴为研究对象，主要通过疲劳试验与包括静力分析与疲劳仿真的数值模拟方法对其常幅疲劳性能及相关因素的影响进行了探讨，得到以下结论：（1）通过 3 个 M36 螺栓销轴试件的静力拉伸试验，并结合 6 个试件的硬度分析与1 个试件的断口化学成分分析获得材质为 35CrMoA 的 12.9 级 M36 螺栓销轴试件的各项力学性能指标；
第 1 章 绪论
1.1 选题背景
1.1.1 空间结构的发展
空间结构最早可追溯至公元前 14 年的罗马万神殿，此后 1900 余年皆处于以拱券式穹顶为代表结构的古代空间结构阶段，国内的古代空间结构以南京无梁殿为代表[1]。直至 1906 年，Alexander Graham Bell 提出了近代空间结构概念，并建成了世界上第一座空间网架结构瞭望塔[2]。其后的数十年间，五大空间结构[3]（见图 1-1）中的四种—薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构均发展成为相对成熟的结构体系而在世界范围内得到大量的推广应用。
薄壳结构是由等厚或变厚度的钢筋混凝土光面板壳或者带肋板壳单元组成的刚性空间结构[4]，具备轻便经济、节约材料、造型多样等优点，但施工较复杂、隔热效果差、板壳易开裂。最早的薄壳结构为 1925 年建成的德国耶拿玻璃厂，其钢筋混凝土薄壳直径达 40m。在 20 世纪 50、60 年代薄壳结构的发展迎来高峰，世界各地出现一批标志性的薄壳结构建筑，如罗马奥运会小体育馆、北京火车站、巴黎国家工业与技术中心陈列大厅、悉尼歌剧院等。（见图 1-2，图名括号内为建造时间，后同）
1.2 国内、外销铰节点设计规范对比
销铰节点的核心是销轴连接。根据主要破坏构件的不同，销铰节点的破坏模式可分为销轴的破坏和耳板的破坏。其中销轴破坏形式分为三种，分别为销轴承压破坏、销轴剪切破坏、销轴弯曲破坏（见图 1-20），而耳板破坏形式分为耳板净截面处受拉破坏、耳板端部劈裂、耳板端部剪切破坏、耳板平面外失稳（见图 1-21）。根据销铰节点的不同破坏形式，国内外的钢结构标准针对销轴连接均进行了相应的设计规定，主要包括构造要求、销轴的计算、耳板的计算三部分内容，其中销轴的计算分为销轴承压强度、抗剪强度、抗弯强度、抗弯抗剪组合强度四方面，耳板的计算分为耳板孔净截面处抗拉强度、耳板端部抗拉强度、耳板抗剪强度三方面，耳板的局部承压强度一般通过构造要求来保证。2018 年，《钢结构设计标准》[28]（GB 50017-2017，后简称新钢标）的发布才首次填补了我国钢结构领域内销轴连接设计的空缺，在此之前，国内空间结构销铰节点的设计主要参考国内桥涵设计规范《公路桥涵钢结构与木结构设计规范》[61]（JTJ 025-86，后简称桥规）、欧洲钢结构标准《Eurocode 3》[62]（后简称欧标）、美国钢结构标准《ANSI/AISC 360-16》[63]（后简称美标）等。以下综合对比各标准关于销轴连接的设计条文，为销铰节点在设计时所应关注的侧重内容提供思路。
第2章销铰节点 M36 螺栓销轴常幅疲劳试验研究
2.1 试验背景及目的
空间结构在风荷载、地震荷载等动力荷载作用下，销铰节点销轴受沿耳板轴线方向的往复荷载作用而可能发生疲劳断裂，极大地增加因节点失效而导致的结构坍塌风险。为探究销铰节点销轴的常幅疲劳性能，揭示其疲劳破坏模式及破坏机理，并建立合理的常幅疲劳验算公式，本文利用所设计的加载装置进行 9 个销铰节点 M36 螺栓销轴的常幅疲劳试验，并对试件疲劳循环次数、疲劳断口、断裂位置等一系列试验数据进行处理和分析。
结合试验目的及所具备的实际条件，选取规格为 12.9 级、35CrMoA 材质的 M36 高强双头螺栓销轴作为本次试验的研究对象，试件的各项尺寸公差均满足国家现行的各项材料标准及规范。试件的各项力学性能指标是制定疲劳试验方案加载制度的参考依据之一，详细的各项参数设计值在该批次试件的产品说明上均可查看。为了降低因试件材料缺陷或差异引起的试验误差，确保疲劳试验结果对应更加准确的力学指标，拟通过静力拉伸试验获得该批次螺栓销轴试件的屈服强度、抗拉强度、弹性模量等主要参数的实际值。参考《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》[114]（GB/T 3098.1-2010）中关于静力拉伸试验的相关条文规定，最终选取 3 个 M36 螺栓销轴试件用于该试验。
2.2 试件静力拉伸试验
2.2.1 试验设备 12.9级M36双头螺栓销轴试件3个、电液伺服万能试验机、游标卡尺（精度0.02mm）、引伸计（1 级）、塑料尺、标记笔等。
2.2.2 试件原始标距 L0 的确定
试件总长度为 400mm，直径 36mm，试验机夹头的一侧加持长度为 100mm，按照现行规范试件原始标距的标记与最接近夹头的距离不得低于 1.5 倍的试件直径即 54mm，取 55mm，最终确定试件的原始标距 L0=400-(55+100)×2=90mm。在标距段用标记笔在试样表面划一条试件轴线的平行线，并分割为每格长度为 10mm 的线段，见图 2-1。
引伸计标距 Le 应大于 45mm，取 50mm。
参考《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》（GB/T 3098.1-2010）中关于拉力试验的相关条文，按照以下步骤进行 3 个 M36 螺栓销轴试件的静力拉伸试验，见图 2-2：
（1）将准备好的试样安装在试验机夹具（钳口）里，使试样中心线和上下钳口里的中心线相符合，然后向试样施加初荷载；
（2）安装引伸计，调整引伸计指针零点，再反复向试样施加为初荷载（100kN）2倍的荷载 2~3 次，并保持 2~3 分钟，如测量仪表装置工作正常，即退回初荷载，再调整引伸计的零点；
（3）按照荷载速率 25kN/s，应变速率 0.00025/s 向试样均匀无冲击的施加荷载，读出各级荷载下的引伸计相对伸长值并记录，随时估算引伸计先后两次读数之差，以判断工作是否正常。确定引伸计正常工作后继续加载，直至试样被拉断测定断后伸长率、规定非比例延伸强度及抗拉强度；
第 3 章 销铰节点 M36 螺栓销轴常幅疲劳数值模拟 ............................. 43
3.1 数值模拟的目的与期望 ........................... 43
3.2 销铰节点 M36 螺栓销轴的静力模拟............................... 43
第 4 章 结论与展望 ................................. 67
4.1 结论 ...................................... 67
4.2 展望 .......................................... 68
3章 销铰节点 M36 螺栓销轴常幅疲劳数值模拟
3.1 数值模拟的目的与期望
本文主要针对螺栓销轴试件进行静力模拟与疲劳仿真模拟，以作为对常幅疲劳试验的补充，对销铰节点 M36 螺栓销轴的常幅疲劳性能分析结果进行延伸。首先通过对由上、下加载头与螺栓销轴组成的销铰节点进行静力模拟，获得节点受荷下螺栓销轴表面应力分布情况和应力集中位置，得到的静力分析结果为后续数值模拟疲劳损伤提供评价依据。在此基础上通过疲劳仿真软件模拟螺栓销轴的常幅疲劳寿命，所得结果与螺栓销轴常幅疲劳试验结果进行对比以验证疲劳仿真方法的可靠性，后续基于疲劳仿真模拟方法分析应力比、销孔间隙、螺栓直径、耳板间距对螺栓销轴试件常幅疲劳性能的影响。
本文利用 ABAQUS 有限元分析软件首先建立由上、下加载头与 M36 螺栓销轴试件组成的销铰节点有限元模型。在不影响作为主要研究对象的 M36 螺栓销轴受力特性及应力结果的基础上，对模型进行数项合理的简化：
（1）本文中上、下加载头与 M36 螺栓销轴组成的销铰节点无论在构造、尺寸还是受力上均对称，对称面为螺栓销轴的跨中截面，因此建立销铰节点的 1/2 模型以优化有限元结果的运算速率；
（2）本文的常幅疲劳试验是针对 M36 螺栓销轴进行的，因此需避免其他构件的破坏对试验结果造成干扰，保证每次试验均因 M36 螺栓销轴的疲劳断裂而终止。在设计加载装置时通过加强其整体强度与刚度保证在整个加载过程中加载装置始终稳定，具体措施为将上加载头两侧耳板通过钢板连成闭合型的方钢管构造，同时在两侧设置加劲板，在进行疲劳加载时将上加载头通过端板四角上的螺栓与疲劳试验机的试件梁连接（见图3-1），其构造类似于常见空间结构中的销铰节点外露式柱脚（见图 3-2），而在进行数值模拟时，上加载头端板上的四个螺栓连接不作为主要研究对象，因此出于简化模拟流程的考量将疲劳试验机通过四个螺栓传递至上加载头端板的荷载简化为端板上的均布荷载，且加载装置的力学特性可以通过材料属性设置改变，因此也将上加载头两侧的加劲板简化；
第4章 结论与展望
4.1 结论
本文以空间结构销铰节点 M36 螺栓销轴为研究对象，主要通过疲劳试验与包括静力分析与疲劳仿真的数值模拟方法对其常幅疲劳性能及相关因素的影响进行了探讨，得到以下结论：
（1）通过 3 个 M36 螺栓销轴试件的静力拉伸试验，并结合 6 个试件的硬度分析与1 个试件的断口化学成分分析获得材质为 35CrMoA 的 12.9 级 M36 螺栓销轴试件的各项力学性能指标；
（2）通过 9 个 M36 螺栓销轴试件的常幅疲劳试验，拟合得到其疲劳 S-N 曲线并建立了
