U型螺栓断裂病害分析

现 场 损 坏 的 螺 栓 也 都 是 在 螺 纹 处 发 生 了 断 裂 。 由 于 托 架 与 螺 栓 接 触 处 联 结 复 杂 ， 受 力 情 况
很 难 确 定， 计 算 时 应 考 虑螺 栓 抗弯 这一 不利 影 响。
２螺栓的疲劳断裂 室 内 模 型 静 载 试 验 表 明 ， 在 设 计 静 荷 载 作 用 下 ， Ｕ 型 螺 栓 的 承 载 力 是 满 足 的 。 静 载 试
《 工程力学》 增刊
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Ｕ 型螺栓断裂病害分析
王春芬 陈兴冲
（ 兰州铁道学院土木建筑学院，甘角 兰州 ７ ３ ０ ０ ７ ０ １
摘要：结合铁路视凝土桥梁挡债坡上 Ｕ型螺栓的病害现场调查，在理论分析和室内棋型试脸墓础上分析
了 螺栓破断原因， 指出了 现行设计和工务养护中存在的问题． 结果表明，Ｕ型螺栓的破断主要与连接状
在 断 面 被 削 弱 到 一 定 程 度 后 ， 由 于 承 载 力 不 足 而 发 生 脆 断 。 因 此 ， 疲 劳 破 坏 是 Ｕ 型 螺 栓 破
坏的主要原因。
从 现 场 采 集 到 的 螺 栓 断 头 可 以 发 现 ， 虽 然 破 断 形 式 不 一但 断 口 都 有 疲 劳 破 坏 的 痕 迹 ， 见 表１ 。 由 于 断 面 粗 糙 部 位 很 大 ， 可 以 认 为 螺 栓 在 使 用 过 程 中 超 载 严 重 ， 属 于 低 周 疲
戒 一 以卜 舟） ‘ 巧〕
其中
（ ２ ）
ａ 为 裂 纹深 度。凡为 螺 栓 原 始半 径・
将月 ， 代入 （ ） 式得 １
△口曰＝— （ —
Ｆ ａ 、 Ｆ
Ａ 。一 ２ 凡一 ａ 一 Ａ 。
） ＝— ・ 凡
（ ３ ）
由 此可见， 在有效截面减小时，即使外荷载没有变化，同 样会引 起疲劳交变应 力的 提高。 交变应力幅值 ５ 的变化量为
由 此 可 见 ， 螺 栓 长 度 越 大 ， 螺 杆 受 力 越 不 利。 轴 力 、 剪 力 虽 增 加 不 多 ， 但 弯 矩 影 响 逐
渐 加 大 。 由 于 螺 纹 牙 根 对 弯 曲 很 敏 感 ， 弯 曲 应 力 对 螺 栓 断 裂 起 关 键 作 用 。 螺 纹 的 牙 根 和 收 尾 、 螺 栓 头 部 与 栓 杆 交 接 处 ， 都 有 应 力 集 中 ， 在 高 应 力 作 用 下 ， 是 产 生 断 裂 的 危 险 部 位 。
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用以一 ‘ 上一 与Ｆ ｌ 丙 Ａ
式中
（ １ ）
Ｆ 为 外 荷 载 ， 儿为 螺 栓 原 始 截 面 积 ，Ａ 。 为 扣 除 裂 纹 面 后 的 有 效 承 载 面 积
道托架及ｕ型螺栓计算简图 见图２ ０ 由于托架角钢刚度有限，加之使用过程中螺帽松动等原因， 托架和螺栓连接处的受 力很复杂。由于 Ｕ 型螺栓截面较小，因此， 螺栓在弯矩作用下的受力最为不利。为分析
王容芬，男，１ ９ ６ ３ ． １ ０ 出生。工学硕士．讲师
比 较， 在以 下计算中， 分别考虑了 螺栓受弯和理想拉压状态两种情况。 其中， 螺栓、螺帽 材质为Ａ ３ 钥。由 现场螺栓量测的 结果， 螺栓的 螺杆直径在 １ ８ ｍ ｍ － ｌ ９ ｍ ｍ之间。 计算时， 暂取螺杆直径为１ ８ ｍ ｍ ，
＿ 够 ＿
＿＿
＿一一一－－一一－－－－－－￣￣￣
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的设计安装中，最好使预紧力与螺栓的最大应力，约达到螺栓材料的屈服极限。在这种情 形下， 螺栓连接的应力幅较小。 但现场使用的 Ｕ 型螺栓，由于安装原因和受力后松动， 大多数螺栓的预紧力已消失。
在螺栓联接中，螺纹上的荷载分布是不均匀的。螺栓受到拉伸荷载后，螺纹根部的
应力 集中 系 数 很高 ， 对于 切削 螺 纹， 有 效 应力 集中 系 数 取气＝ ３ ． ６ Ｃ Ａ ３ 钢） ， 螺 纹的 疲劳
极限。 － ， ＝ ５ ０ Ｍ Ｐ ａ ，令ａ 、 为最大名义应力，Ｏ ＇ 二 为最小名义应力，应力幅
气 ＝
ａ 呻 一口 ｕ ｄ ｎ
２
， 平 均 应 “ 二竺２ 。 在 人 行 道 托 ” 的 恒 载 作 用 下 ， 取 螺 ‘
大。
２ ． Ｚ Ｕ 型 螺栓的 疲劳 脸算
在过桥列车的振动激励下，螺栓受到变化的应力作用。 这个应力不仅与荷载大小有 关， 而且与娜栓材料、 拐纹种类、组纹制造方法及操纹表面的光洁度等因素有关． 此外， 在很大 程度上， 还取决于姗栓联接的 预紧力大小。 研究结果与试验指出． 螺栓联接的 预紧力对螺栓的疲劳强度影响很大。 在螺栓联接
验 过 程 中 ， 未 发 现 螺 栓因 强 度 不 足 而 断 裂 的 现 象。
人 行 道 托 架 系 统 除 了 承 受 恒 载 作 用 外 ， 还 受 到 各 种 突 加 荷 载 及 列 车 过 桥 时 的 振 动 影 响 。 在 反 复 的 动 力 作 用 、 ｕ 型 螺 栓 和 托 架 之 间 联 结 的 松 动 、 垫 片 数 过 多 及 联 结 状 况 恶 化 等 不 利 因 素 影 响 ， ｕ 型 螺 栓 要 承 受 复 杂 的 应 力 作 用 ， 造 成 螺 栓 局 部 应 力 过 度 集 中 。 加 之 螺 栓 制 造 过 程 中 的 原 始 损 伤 及 初 始 裂 纹 的 存 在 ， 在 动 荷 载 的 反 复 作 用 下 ， 会 使 裂 纹 进 一 步 扩 展 ，
图１ 人行道支架示意
图２人行道托架计算图式
｝ ． １螺栓弯曲影响 角钢厚度的影响，设螺栓的计算长度为 ３ ｃ ｍ。在标准设 考虑到垫片的厚度及数量、 螺栓按铰支座处理。为分析螺栓的受力，考虑螺栓抗弯性 计中，不考虑螺栓的抗弯性能， 在人行道步行板等恒载作用下，两种计算图式下，上螺栓 能，并与标准设计的结果比较。
内 力及应力计算结果见表 ｌ ， 计算图式对上螺栓的受力 影响
轴向应力 （ ｋ Ｎ ） （ ｋ Ｎ ） （ Ｍ间
剪应力 ｔ （ ＭＰ ａ ）
弯曲应力
刁 ‘
叮 Ｎ （ Ｍ Ｐ ａ ）
６ Ｍ （ Ｍ Ｐ ａ ）
由以 上计算可见， 虽然上螺栓所受的弯矩数值不大， 但弯曲应 应力影响不大。 但当 考虑螺栓的弯曲 影响时， 这对螺栓受力是极为不利的。 力己与轴向应力属同一量级，
劳破坏情形。
表３ 现场Ｕ 型螺栓破断特征
断口裂纹深度
螺纹根部
螺纹根部
螺纹根部
有疲劳裂纹
最深处 Ｚ ｎ ｕ ”
有疲劳裂纹，最深处０ ． ｓ ｍ
！ ｍｍ
２１疲劳应力分析 材料的硬度越高，在疲劳裂纹尖端的塑性区越小，裂纹扩展时所需克服的阻力就越 小， 裂纹扩展速率相应越快。 随着裂纹的 深度的增加，一方面材料硬度下降，裂尖塑性区 增加：另一方面由于疲劳裂纹的扩展， 使螺栓有效截面减少， 造成平均应力增加；此外， 由于裂纹扩展，断面几何应力集中系数增加。因此，在整个裂纹扩展期，裂纹扩展速率一
１ｕ 型螺栓的静力分析
人行道托架依 靠 ｕ型螺栓锚固 在梁体挡碴墙上，除要承受着自 身重，外，还要承受
钢 筋 硅 人 行 道 板 重 量 和 人 行 道 活 载（ 即 距 离 梁中 心２ Ａ ５ ｍ以 内ｌ ｏ ｋ Ｎｌ ｍ ２ ， 距 离 梁 中 心 ２ ． ４ ５ ｍ以 外４ ． ０ 解Ｉ ｍ ２ ， 立 柱 栏杆 及 扶手 的 水 平 推 力 采 用７ ５ ｋ Ｎ ｌ ｍ作 用 在 立 柱 顶） 。 人 行
添石蒸赢而丽丽 轴 力 和 剪 力 及 相 应 的 应 力 数 值 相 近
１２螺栓计算长度的 影响 锁 既有铁路桥梁人行道托架和挡碴墙之间，由于垫片数量较多和使用过程中螺帽自 ｃ ｍ 。下面就 Ｕ 型螺栓在步行板等恒载作用下， 能力较差， 螺杆的计算长度有的己 超过 ５ 变化对上螺栓受力的不利影响。见表２ ｅ 考虑螺栓的抗弯性能时，讨论螺栓计算长度 Ｌ
ＡＳ＝ 凡（ 二一向 一） 二 ０ ５ ２ Ｒ ａ 一ａ
（ ４ ）
式中５ ０为 初始交 变应力幅 值。
由于有效面积的损失，娜栓横剖面变得不连续。 使剖面惯性矩出 现突变而导致几何 应力集中系数的增加。 几何应力集中系数的变化率 近似为
棍 ＝（
（ ５ ）
介
螺栓的裂纹扩展属于平面应变裂纹， 在裂纹产生后，其扩展速率很快增加，直至破 断。 对于一般的普通低强度的结构钢，疲劳裂纹扩展期寿命占 整个疲劳寿命的３ ０ 例 卜 ５ ０ ％ 。 而在高平均应力作用下，疲劳裂纹扩展期寿命仅占 总寿命的 ５ ％ 左右，类似脆断． 危害极
直 在 增 加 ， 直 到 最 后 产 生 破 断 。 下 面 从 螺 栓 的 强 度 特 征 上 进 行 简 要 分 析 ， 各 因 素 的 影 响 可
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表２ 蛆栓计算长度 Ｌ 变化对螺杆的受力影响
娜栓计算长
度Ｌ
轴力（ Ｎ ） 剪力（ Ｌ Ｎ） ｋ
弯矩
（ ｋ Ｎ ｍ）
轴向应力
剪应力
ｒ（ ＭＰ ） ａ
弯曲应力
口刀（ ＭＰ ａ ）
口解（ ＭＰ ａ ）
一下下石不一一下丽万一一一而不 一 一 一 万丽
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栓杆直径 １ ８ｍ ｍ，螺栓尺寸系数ｓ ｘ． ９ ３ ， 螺纹表面加工系数刀ｘ． ９ ５ ， 光滑试件的 疲劳强
ａ＇ ＝ ０ ． ４ ５ ． 则 螺 栓 疲 劳 强 度 安 全 系 数 度ｏ ＿ ， ＝ １ ８ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 汽‘