高铁声屏障连接螺栓松弛对疲劳寿命的影响

柱脚螺栓的寿命包括两个部分：一是其受行车动力风压作用下的疲劳寿命；

二是由于振动产生的松弛寿命，单独考虑疲劳所得到的结果相对比较保守，而涉及疲劳和松弛共同作用的研究较少，二者共同考虑得到的结果会更加安全。

螺栓的疲劳寿命和松弛寿命影响着螺栓的使用寿命，在疲劳和松弛的共同作用下,柱脚处连接不断退化。

以某速度为400km/h高铁声屏障非对称排布和对称排布螺栓为研究对象，利用ANSYS建立柱脚螺栓有限元模型，通过降温法施加预紧力，并施加正负单位弯矩荷载，计算柱脚最不利螺栓在不同预紧力作用下的应力幅，提出了应力幅随预紧力变化的拟合关系式：利用Midas建立声屏障整体模型，分析列车在400km/h行驶速度下结构动力响应特性，提取柱脚螺栓弯矩时程结果，对仅考虑疲劳失效的螺栓寿命和考虑松弛疲劳共同影响下的螺栓寿命进行比较。

通过建立包含非对称螺栓和对称螺栓的两种声屏障柱脚有限元模型，在既有成果基础上重点研究预紧力对柱脚螺栓应力幅的影响规律，分析柱脚螺栓松弛对疲劳寿命的影响。

图1 螺栓柱脚细部构造

 

图2 螺栓柱脚整体模型

 

图3 荷载施加模型

 

图4 非对称螺栓柱脚-螺栓应力幅变化曲线

 

图5 对称螺栓柱脚-螺栓应力幅变化曲线

非对称和对称柱脚螺栓，其应力幅都会随着预紧力的增大而减小。螺栓的预紧力会使得整体的抗弯刚度增加,最后表现为螺栓的应力减小。

以对称螺栓模型为研究对象,分析柱脚螺栓松弛对疲劳寿命的影响。采用Midas Civil建立声屏障整体模型。

 

图6 声屏障整体模型

列车通过时产生的风压荷载直接作用于声屏障上，声屏障传力给立柱直接影响底部的连接螺栓，因此，可通过最不利位置处的立柱所经历的弯矩时程图，并结合雨流计数法来计算螺栓的疲劳寿命，根据加载列车风压后结构计算结果，提取中间立柱根部弯矩时程图。

根据图7可知在全预紧力的作用下，仅考虑疲劳效应时该柱脚模型的疲劳年限为无限。

 

图7 雨流计数结果

实际上，当高速铁路声屏障受通行高速列车的列车风反复激励时，连接螺栓会发生松弛，不同横向激励幅值、初始预紧力及螺纹螺距对松弛程度都会产生影响，在横向力作用下，螺栓预紧力会呈现周期波动趋势，每周期预紧力都会有所下降。通过预紧力与对称螺栓应力幅的函数关系式以及预紧力下降时应力幅的比例，可近似得到在考虑松弛影响下的雨流计数结果，如图8所示。

 

图8 雨流计数结果

根据雨流计数统计方法以及Miner累积损伤原则，可得固定螺栓等效应力水平以及在每天400辆列车通过的情况下固定螺栓损伤以及疲劳年限16037.23d，即43.94年,不满足使用要求。

 

图9 400辆/d疲劳损伤分析

由此可以看出,松弛对螺栓疲劳寿命的影响不可忽视。对于此柱脚螺栓，一定存在某个临界预紧力值，使所有算得的应力幅都小于容许应力幅，保证不会受到疲劳失效，即保证最大应力幅小于疲劳截止限。

     

结论

螺栓松弛会导致预紧力下降，两种柱脚模型的螺栓应力幅都会增大，应力幅对疲劳损害的影响呈指数型增大，从而使螺栓寿命大大降低。

当只考虑疲劳作用时，算得的寿命是偏高的，这样可能会因不及时维修或更换螺栓而导致声屏障破坏，引发事故同时考虑疲劳和松弛的共同作用,应力时程更加逼近实际，可得到更加安全的结果，当松弛导致预紧力下降至55%以后，需要考虑疲劳损伤计算，该结果可为连接结构领域设计人员定量评估螺栓寿命以及对螺栓的维修养护方面提供参考依据。

   

昊宇睿联专注提供紧固连接技术解决方案，提供新型防松紧固件、基于预紧力的智能拧紧工具、螺栓监测系统及全套技术服务解决方案，守护紧固连接的安全！

参考文献

[1] 卫星,汪蓉蓉,等.高铁声屏障连接螺栓松弛对疲劳寿命的影响.[J].西南交通大学学报,2023,58(2):373-380.

[2] 朱若燕,李厚民.高强度螺栓的预紧力及疲劳寿命[J]湖北工学院学报,2004,19(3):135-136,141.

[3] 吴勇,陈琴珠,邹慧君.摩擦离合器螺栓联接预紧力对疲劳寿命的影响[J].机械设计与研究,2012,28(6):67-69.

[4] LIU YZ,CHEN J,ZHANG XF,et al. Fatiguebehaviour of blind bolts under tensile cyclic loads[J]ournal of Constructional Steel Research, 2018, 148:16-27.

[5] 曹罚君.多轴非比例载荷谱条件下高强度螺栓疲劳强度分析[J].机械强度,2019,41(1):232-237.

[6] 刘育,晋健,王勇飞,等.基于PD-STFA的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法研究[J].机械强度2020,42(6):1459-1465.