本文是一篇土木工程论文，本文研究内容是主要针对 8.8 级 M24 高强度螺栓进行试验和理论研究，同时对比已有的 10.9 级 M24 高强度螺栓试验数据，重点探讨了力学性能对其常幅疲劳性能的影响。
第 1 章 绪论
1.1 选题的背景与意义
《国务院办公厅关于大力发展预制构件的指导意见》（国办发〔2016〕71 号）指出，要坚持市场导向、政府推动的基本原则，积极制定政策，逐步完善建筑技术标准体系，有效促进装配式建筑快速发展。在市场和政策的双动力驱动下，装配式房屋发展迅速。2020 年，京津冀、长三角和珠三角等重点地区新增装配式建筑占全国的 54.6%，积极推进和鼓励推进地区占 45.4%，重点地区占比较 2019 年进一步提高，其中上海地区装配式建筑占新建建筑的比例为 91.7%，天津、江苏、浙江、湖南和海南占比均超过 30%。装配式建筑的蓬勃兴起已经成为中国建筑业发展的必然趋势，因此有必要对装配式建筑的相关内容进行研究。
装配式建筑相比于以往的粗放式施工模式，其具有节能环保、节省材料和质量保证等优势，符合我国可持续发展的理念。根据 2020 年装配式建筑年度发展通报中显示，混凝土装配式结构建筑体量为 4.3 亿 m2，相比于 2019 年增长 59.3%，占新开装配式建筑的比例为 68.3%；装配式钢结构建筑体量为 1.9 亿 m2，相比于 2019 年增长 33%，占新开装配式建筑的 30.2%，其中装配式住宅建筑（图 1-1）体量为 1206 万 m2，相比于2019 年增长 33%。由此可见装配式钢结构建筑得到了快速的推广与发展。对于装配式钢结构而言，设计的关键在于节点的设计，而端板螺栓连接（图 1-2）是节点的主要形式，研究螺栓的性能成为很多学者的重要课题。
1.2 螺栓缺口应力集中理论研究
机械元件在波动荷载下的疲劳强度很大程度上取决于表面层的特性、几何形状、工作温度、尺寸和荷载类型[1]。对于螺栓紧固件来说，破坏模式主要为螺栓的疲劳断裂[2]。Pilkey[3]研究表明，根据螺栓破坏位置占比可将其分为三类：螺栓头正下方占比 15%，螺纹端占比 20%，螺母面螺纹占比 65%。Pedersen,N.L[4]证明可以通过将形状优化应用到螺栓设计中，减小螺栓中的应力集中，从而提高螺栓的疲劳寿命。下面主要从螺纹形式、螺栓直径、螺栓牙底圆角半径、外露螺纹牙数、螺纹升角、螺栓头过渡圆角半径及预紧力等因素对螺纹缺口应力集中进行探讨，并总结减小螺纹缺口应力集中措施。
1.2.1 螺纹形式
常见的螺纹形式包括普通螺纹、圆弧形螺纹、锯齿形螺纹、三角形螺纹、方牙形螺纹和阿基米德螺纹。张超[5]通过应力路径，得到螺纹横截面中应力分布情况，应力位于螺纹的最外侧时取得最大值，当向中间靠近时，应力逐渐下降，直至趋于稳定；文献[6]以螺纹形式为变量，对高强度螺栓模型进行了有限元分析，得出螺纹根部缺口处的应力集中系数（见表 1.1）；Pedersen NL[13]应用形状优化可以通过更改螺纹根部的形状来减少螺纹缺口的应力集中；郑慧敏[7]对比研究了方形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹三种螺纹形式。得出了方形螺纹具有效率高的优点，但其制造难度大，牙根部强度弱。而相对于锯齿螺纹来说，其结合了矩形螺纹的高效率和梯形螺纹的牙根部强度，同时当外螺纹底部 圆弧较大时，应力集中最小；田少杰[5]和张超[6]等认为方牙螺纹缺口应力集中程度最弱， 建议使用在高强螺栓较少的悬挂吊点处。
第 2 章 高强度螺栓疲劳性能试验研究
2.1 疲劳试件的设计
2.1.1 高强度螺栓
（1）试件规格的选取
试验对象选用 8.8 级 M24 高强度螺栓，通过对化学成分及尺寸公差进行校核，证明了该批螺栓均符合国家有关标准。在进行疲劳试验前对高强度大六角头螺栓进行仔细检查并拍照，并对有原始缺陷的高强度螺栓进行记录。
（2）螺栓数量的确定
根据《螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法》[78] GB/T 13682-926.4 中指出：采用升降法测定螺栓的疲劳极限时，经常采用 14 个试件为一组的进行试验；另外，依据欧洲规范《Eurocode 3: Design of Steel Structures》Part 1-9: Fatigue 可知，疲劳试验的试件不可以低于 10 个。依据上述规范同时结合自身对数据的需求，本次试验的试件数量为 19 个。同时参考《紧固件螺栓、螺钉和螺柱力学性能》[79] GB/T 3098.1-2010，选用同批试件中的 3 个螺栓进行静力试验，得出相应力学性能数据。
（3）高强度螺栓的加工
为了避免高强度螺栓在进行疲劳试验时，应变片连接线被磨断，因此，基于国内外相关文献对螺栓的螺帽与螺杆进行加工。在螺帽上进行钻孔，间隔 180°保证应变片的连接线顺利穿过如图 2-1。磨削距离螺母下端 25 毫米处的螺杆，然后垂直于螺杆截面方向配置两个单向应变片，两个之间有 180°（图 2-2）的间隔，保证在试验的整个过程中，能够监测螺栓试件的应变和应力变化。
2.2 试验方案
2.2.1 加载方案
本次试验是“拉-拉”常幅疲劳试验，以螺栓发生疲劳破坏为失效准则，获取螺栓断裂时的一系列的数据点。通过对该试验数据进行拟合，获得了材料等级为 8.8 级和螺栓规格为 M24 的高强度螺栓疲劳寿命的 S-N 曲线。为了能够得到更为准确拟合曲线，需要制定一个符合实际工程的加载条件，具体的规则如下：
（1）应力比
为研究 8.8 级 M24 高强度螺栓疲劳寿命时的极限载荷，依据《变电站建筑结构设计技术规程》（DL/T5457-2012），在进行避雷针的构件强度和连接强度的计算时，其最大设计应力值不宜大于现行国家标准《钢结构设计标准》（GB50017 2017）规定的钢材强度设计值的 80%。综合考虑疲劳试验机的额定载荷极限、相关文件及应力比等因素，进行安全考虑。因此，本次疲劳试验的应力比为 R=0.8（室温）。
（2）交变荷载和加载频率
通过参考 MTS 试验仪器说明书中的承载范围，保证试件在循环荷载作用下能够平稳安全的运行，本次疲劳试验的最大载荷不得超过允许极限的 60%。在进行载荷的输入时，分析螺栓试件加载制度，确定该螺栓在加载过程中荷载的最大值和最小值。
根据规范 GB/T 13682-92 第 5.1.3 条中指出：为了使加荷过程呈现正弦规律，试验的频率应保持在 4.2HZ 到 250HZ 之间。同时，参考仪器的限值范围和加载装置的固有频率，经过多次调整和测试，确定了本次试验采用的频率为 7Hz。
第 3 章 精细化有限元的高强度螺栓疲劳寿命理论分析 ................................ 29
3.1 高强度螺栓应力集中性能分析 ...................... 29
3.1.1 有限元模型的建立 ............................ 29
3.1.2 结果分析 ............................. 32
第 4 章 端板连接高强度螺栓疲劳破坏机理 ................................. 51
4.1 M24 高强度螺栓断口分析 ................................ 51
4.1.1 取样方法 ................................. 51
4.1.2 M24 高强度螺栓断口分析 ................................ 51
第 5 章 结论与展望 .............................. 75
5.1 结论 ......................... 75
5.2 展望 ........................................... 76
第 4 章 端板连接高强度螺栓疲劳破坏机理
4.1 M24 高强度螺栓断口分析
4.1.1 取样方法
为了揭示端板连接用 M24 高强度大六角头螺栓的常幅疲劳破坏机理，对本次常幅疲劳试验的 19 个 M24 高强度螺栓开展疲劳断口分析研究，取样过程如下：
（1）先对 M24 高强度螺栓的疲劳断口进行拍照，区分断口的源区、扩展区以及瞬断区；
（2）将拉断后的高强度螺栓在干燥条件下切取一个 10mm 的试样，并用保鲜膜进行包裹，防止表面湿润或氧化；
（3）用超声波清洗机（如图 4-1 所示）清洗疲劳断口，然后用扫描电镜（如图 4-2）对疲劳断裂试件进行微观观察，同时进行拍照。
第 5 章 结论与展望
5.1 结论
本节以端板连接处高强度螺栓为研究对象，同时对国内外高强度螺栓的研究内容进行了汇总与分析，通过高强度螺栓的静力试验、疲劳试验、疲劳断口分析、ABAQUS精细化有限元分析以及 Fe-Safe 疲劳模拟，探究了高强度螺栓的疲劳特性，主要得出如下结论：
(1）通过对已有的 286
