铁路混凝土工程钢筋机械连接疲劳性能试验探究1. 试验目的为适应大规模、高标准铁路建设需要，进一步扩展钢筋 机械连接（镦粗直螺纹接头、剥肋滚轧直螺纹接头和套筒挤 压接头）在铁路钢筋混凝土工程中的应用范围，开展铁路用 三种机械连接接头疲劳性能试验研究，给出各种接头疲劳应 力幅值（200万次循环对应的应力幅），供设计单位参考2. 试验的主要内容a、 机械连接件试件取样根据《铁路混凝土工程钢筋机械连接技术暂行规定》中 对采用机械连接的钢筋直径的分类，结合现场初步调查，本 次疲劳试验的钢筋直径初步拟定为三种：016、025、032b、 钢筋及套筒材料的参数钢筋采用热轧带肋钢筋，屈服强度标准值为335MPa，弹 性模量取2. 0X105MPa对镦粗、滚轧直螺纹接头的套筒采 用45号优质碳素结构钢钢材，其屈服强度标准值为355MPa, 弹性模量2. lX105MPa，泊松比0.31对挤压套筒接头的套 筒采用Q235钢材，其具有很好的延展性，屈服强度标准值 为 235MPac、 对每一种直径的钢筋，均对相应的3种机械连接型 式做疲劳拭验本次疲劳试验的钢筋机械连接件共9种对直螺纹接头 而言，根据公称直径、螺距、中经及小径的不同又分为多种 螺纹形式见表1，螺纹加工尺寸及精度满足《铁路钢筋混凝 土机械连接技术标准》、《普通螺纹基本尺寸》GB/T 196、《普 通螺纹公差》GB/T197。
对挤压套筒而言，及套筒尺寸满足 《铁路钢筋混凝土机械连接技术标准》要求d、接头的疲劳性能试验螺纹连接的疲劳破坏是实际中最常遇到的破坏形式， 1980年5.威尔荷姆（Wilhelm）研究了 200例螺纹连接的失效，其中50%以上是疲劳破坏大部分螺纹疲劳断裂发生在 承力第一圈螺纹牙处，该处的螺纹的疲劳强度只有同直径光 滑试件的l/8-l/2o对直接承受动力荷载的结构构件，接头 应满足设计要求的抗疲劳性能疲劳试验在中国铁道科学研究院铁道建筑研究所结构 实验室美国MTS-500KN电液伺服万能试验机上进行为025滚轧连接试件的疲劳试验图为疲劳破坏的试e、不同直径钢筋接头螺距的确定 通过接头室内静力性能试验，分析试验数据结果，综合现场丝头加工的难易程度，对镦粗、滚轧连接接头的螺距进 行优选，最终确定3种直径钢筋连接接头的最佳螺距：016 钢筋选2. 0螺距为最佳螺距，025钢筋选2. 5螺距为最佳螺 距，032钢筋选3.0螺距为最佳螺距f、 试验前对钢筋连接件处理由于试验机夹具不能直接夹持带肋钢筋，试验前对夹持 部分钢筋进行车圆处理为保证试件的有效率，防止试件在 夹持部破断，采用焊接应力消除设备对钢筋车圆变截面处进 行锤击处理，以消除变截面处的集中应力。
g、 疲劳性能试验方法常规试验的目的是，利用简便的方法来测定材料或构件 的S-N曲线所谓的S-N曲线就是应力与疲劳寿命对应关系 的曲线采用常规试验方法进行试验时，一般由高应力水平开 始，逐渐降低应力水平，记录在各级应力水平下的疲劳寿命， 直到完成全部试验为止，即可确定一条通用的S-N曲线本次试验采用单点法，滚轧、镦粗直螺纹接头疲劳试验 最大应力取3⑻MPa，改变最小应力，进行拉-拉循环加载 挤压套筒连接接头疲劳试验最大应力取230MPa，改变最小应 力，进行拉-拉循环加载，最终获得机械连接试件的疲劳S-N 曲线3. 钢筋连接件疲劳S-N曲线试验结果3种直径钢筋3种接头连接方式的9组试件，每组各完 成5个不同高应力幅的疲劳试验，试验结果见附表1S-N曲线如下:从疲劳试验S-N曲线图中，获得的回归曲线方程 log (Ao ) =3. 38-0. 211og (N)可以推出，普通带肋钢筋机械连接试件满足118MPa应 力幅，200万次循环荷载试验要求以下是试件高应力幅疲劳破坏型式图形：2.4.4试件高应力幅疲劳破坏型式 从试件的高应力幅疲劳破坏型式来看，源于滚轧直螺纹 接头的接头螺纹在滚压过程中发生滚压强化，它是利用钢的 弹塑性性质使金属表面产生一个塑性变形层从而迗到强化 的目的，滚压后的变形层内由于形变造成很高的宏观残余压 应力，在变形层内位错密度升高和位错组态的改变，以及螺 纹根部圆角表面粗糙度的降低，使得螺纹在承受交变荷载 时，疲劳强度大幅度提高。
因此滚轧直螺纹连接接头的疲劳 破坏大多是在第一圈承力螺纹牙处对于镦粗直螺纹接头，由于在冷作硬化后进行车螺纹加 工过程，钢筋部分纤维组织在镦粗后被断裂，以及加工螺纹 表面的粗糙度与套筒相近；而套筒材料强度比母材大，因此 镦粗直螺纹连接接头的疲劳破坏都是在套筒端部的母材上对于挤压套筒的疲劳破坏形式来看，断口均在套筒某一 端的最后一道压痕处的钢筋母材上，由于钢套筒在挤压过程 中，挤压对套筒及母材产生的不利影响，容易在挤压处钢筋产生疲劳源，此疲劳源从钢筋横肋根部开始扩展，最后形成 疲劳断口4. 疲劳试验S-N曲线方程验证为了验证回归曲线方程的正确性，按照《钢筋机械连接 通用技术规程》规定（第3.0.8条），对直接承受动力荷载 的结构构件，接头应满足设计要求的抗疲劳性能规定进行验 证当无专门要求时，对连接HRB335级钢筋的接头，其疲 劳性能应能经受应力幅为100N/mm2,最大应力为180N/mm2 的200万次循环加载对连接HRB4⑻级钢筋的接头，其疲 劳性能应能经受应力幅为100N/醐2,最大应力为190N/mm2 的200万次循环加载本次加工的试件普通带肋钢筋的母材 全为HRB335,因此疲劳性能试验的应力幅为100N/mm2，最 大应力为180N/mm2,进行对接头试件进行200万次循环加载 的验证，试验结果，该3种直径3种连接方式的接头均满足 应力幅为100N/mm2,最大应力为180N/mm2, 200万次循环加 载的要求，且试件未破坏。
5. 总结实验的结果表明：挤压套筒接头、直螺纹接头的抗拉强度和断后伸长率均 能达到预期的值，能够达到等强连接，但是在非弹性变形指 标方面，不同形式的钢筋直螺纹接头有些差别：直螺纹接头 的非弹性变形性能明显优越于挤压套筒接头；而在直螺纹接 头中，剥肋滚压直螺纹接头明显优越于镦粗直螺纹接头钢筋 接头且相同直径、相同螺距的机械连接接头，挤压套筒连 接的残余变形大于镦粗直螺纹连接的残余变形，镦粗直螺纹 连接的残余变形大于滚轧直螺纹连接的残余变形鉴于上面静态试验分析的结果，我们又对挤压套筒连接 接头、镦粗直螺纹连接接头、剥肋滚压直螺纹钢筋接头进行 了动态试验分析动态试验分析包括高应力反复拉压（弹性 范围内反复拉压）、大变形反复拉压（塑性范围内反复拉压） 以及疲劳试验研究高应力反复拉压性能反映接头在风荷载 以及小地震情况下承受高应力反复拉压的能力，大变形反复 拉压性能反映结构在强烈地震情况下钢筋进入塑性变形阶 段接头的受力能力对于弹塑性范围内的反复拉压试验分 析，结果表明该三种机械连接接头各项指标均能迗到预期 值。