悬挂运输设备是指车轮悬挂在单根轨道工字钢下翼缘上或悬挂在两根槽钢之间的、与手拉葫芦或电动葫芦配套使用的单轨小车等, 其轨道被称为悬挂运输设备轨道 (简称轨道) 。该设备在流水线作业的轻型工业厂房中广泛应用, 近年来也逐渐被部分重工业建筑所选用, 如汽车总装厂房等。图1为某一小型汽车总装厂房的悬挂运输结构示意图, 自上至下分别为辅梁吊杆 (简称吊杆) 、辅梁、轨道吊杆、轨道、悬挂运输设备。该悬挂运输结构在使用1到5年内, 吊杆与辅梁的夹板式螺栓节点陆续发生断裂。针对螺栓疲劳断裂工程事故的研究已经很多了, 例如, E.S.KIM等^[1]通过螺栓断口金象分析, 确定了塔吊螺栓节点断裂原因为疲劳断裂;Sandro Griza等^[2]以压力容器为工程背景, 研究了螺栓长度对螺栓疲劳强度影响, 指出适当加长螺杆长度可提高其疲劳强度;雷宏刚等^[3,4]通过常幅疲劳试验和变幅疲劳试验对空间网架螺栓球节点的疲劳性能进行了系统性的研究。然而尚未见到针对悬挂运输结构夹板式螺栓节点的断裂分析研究。本文以某悬挂运输结构夹板式螺栓节点的疲劳断裂为工程背景, 通过断口分析、现场测试等, 开展该类节点在小型汽车生产厂房中的疲劳可靠性研究。

　　 如图1所示, 悬挂运输结构由吊杆、辅梁、轨道吊杆、轨道、悬挂运输设备组成。吊杆是两根角钢拼接成的十字形杆件, 上节点与轻型门式钢架屋面梁连接, 下节点与辅梁连接, 下节点连接形式如图2所示, 角钢型号为 63×6, 材料为Q235。测点位置如图3所示。节点通过四个螺栓和两个夹板夹住辅梁上翼缘, 使辅梁固定。螺栓为8.8级M20×80六角头螺栓, 符合《六角头螺栓全螺纹》 (GB/T 5783—2000) ^[5]的相关规定。夹板由钢板与钢筋焊接而成。安装时螺栓采用螺母拧紧, 无预紧力要求。辅梁为20a工字型钢, 材质为Q235a。

　　 图1 悬挂运输结构示意图

　　  

　　 图2 夹板式螺栓连接节点示意图

　　  

　　 图3 测点位置示意图

　　 辅梁通过轨道吊杆与轨道连接, 悬挂运输设备通过滑轮在轨道上移动, 从而实现流水线作业。显然, 在实际生产过程中吊杆及附属连接节点承受循环荷载。

　　 该结构在使用1到5年内, 夹板式螺栓节点的螺栓陆续发生断裂, 断口位于螺母 (或螺帽) 与螺杆相交处, 断口截面如图4所示。由断口图像可以明显的观察到裂纹的初始区域、裂纹扩展区域、裂纹脆断区域, 以及裂纹扩展的贝壳纹等, 由此可以断定该结构的破坏属于疲劳破坏。

　　 为了进一步揭示螺栓的断裂原因, 现场随机选取了8个正常使用的螺栓, 与已断裂的螺栓属于同一个生产厂家生产的同一批螺栓, 进行静力强度试验, 试验结果如表1所示, 平均静力强度为950MPa。静力破坏断口如图5所示。对比图4, 5可知, 该批螺栓的静力破坏断口有明显的塑性变形发生, 断口呈现出粗粒状或纤维状, 断口特征与静力破坏特征一致, 而实际使用中的螺栓断口显然与静力拉伸试验中的断口特征不一致。

　　 在螺栓断裂较为严重的区域选取某一夹板式螺栓连接节点进行动态测试, 包括螺栓的轴力测试、吊杆角钢的应力测试。传感器布置位置如图3所示, 测试结果如图6, 7所示。

　　 通过动力测试可知, 悬挂运输设备每经过一次吊杆正下方, 吊杆角钢、螺栓均产生应力循环一次。由图6可知, 角钢横截面轴向拉应变幅值约为77.6με, 拉应力幅约为16.3MPa, 轴向拉力幅约为22.3kN。由图7可知, 节点的4个螺栓轴力幅基本相等, 螺栓轴向拉力幅均值为12kN。螺栓之间轴力绝对值的差异是由螺栓安装时的预紧力不同所造成的。可见, 夹板式螺栓连接节点的螺栓所承受的轴力合是吊杆轴力的两倍, 且该轴力远小于螺栓静力抗力。

　　 测试时位于该吊杆下方的车重量约为23kN, 近似等于吊杆角钢轴向拉力值, 因此在后续计算分析中可近似认为车重等于吊重, 且由一个吊杆独立承受。事实上, 如图1所示, 辅梁吊杆间距为悬挂运输设备长度的一半, 在生产过程中, 悬挂运输设备位于某一吊杆正下方时, 其相邻吊杆下无吊重, 因此悬挂运输设备每经过吊杆正下方一次, 吊杆承受一次最大拉应力, 即悬挂运输设备每经过吊杆一次, 吊杆及附属连接节点承受应力循环一次。

　　 图8 边界条件示意图

　　 为了进一步分析螺栓断裂的原因, 采用ABAQUS软件建立有限元分析模型, 分析第3节中测试构件的应力状态, 边界条件如图8所示, 在工字钢梁两端施加固定约束, 螺栓与夹板、夹板与连接板、夹板与工字钢梁、螺栓与连接板之间均建立接触关系, 接触面仅能传递压应力, 接触面间摩擦系数取为0.15, 在吊杆上施加均布拉应力, 应力取为16.3MPa, 材料弹性模量取2.06×10⁵, 泊松比取为0.3, 计算结果如图9～11所示。

　　 由图9～11可知, 最大主应力位于螺栓上, σ_max=131MPa, 应力水平远低于其静力强度。螺栓轴力为10.3kN, 与测试值12kN基本吻合, 测试值略高于计算值的原因是, 在轴拉力和撬力作用下螺栓受到附加弯矩作用, 而附加弯矩的作用使螺栓轴力传感器受力不均匀。螺栓、夹板与连接板组成了杠杆系统, 从而使螺栓产了撬作用力^[6]。如果不考虑附加弯矩的作用, 螺栓横截面拉应力为33MPa, 考虑附件弯矩后, 最大拉应力为131MPa, 可见附加弯矩的作用使其应力水平提高了4倍。

　　 据统计该厂至今一共生产过5种车型, 车重各不相同, 如表2所示。为了得到吊重 (吊重近似等于车重) 与螺栓应力水平之间的关系, 本文采用上述分析模型, 计算车重从2.7kN至32kN与螺栓应力水平的对应关系 (取值范围基本覆盖了常见小型轿车的车重范围) , 计算结果如图12所示。

　　 由图12可知, 在常见小型汽车的车重范围内, 该类节点螺栓受力状态与吊重成线性关系, 可不考虑各个部件间的接触而导致的非线性关系。

　　 文献[3]对六角头螺栓开展了疲劳试验研究, 并依据试验结果统计出该类螺栓的疲劳S-N曲线, 如式 (1) 所示:

　　 $\lg {\rm N}=10.8435-2.4876\lg \text{Δ}\sigma \pm 2S{}_{\text{d}}(1)$

　　 式中:N为应力循环次数;Δσ为应力幅;S_d为标准差, S_d=0.359 4。

　　 第3节中的测试结果表明, 每组装一辆车, 节点产生一次应力循环。该厂房5年内生产的车辆信息统计如表2所示, 共计生产车辆57万辆, 即产生应力循环57万次。

　　 依据Miner损伤累计准则及等损伤原理, 可得等效应力幅^[7]为:

　　 $\begin{array}{l}\text{Δ}\sigma {}_{\text{e}}=\left[\frac{{\displaystyle \sum n}{}_i\left(\text{Δ}\sigma {}_i\right){}^{\beta }}{{\displaystyle \sum n}{}_i}\right]{}^{\frac{1}{\beta }}=\\ \left[\frac{75783\times 62.1{}^{2.4876}+29746\times 79.7{}^{2.4876}+\cdots }{75783+29746+\cdots }\right]{}^{1/2.4876}\\ =83.67\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}(2)\end{array}$

　　 式中:Δσ_e为变幅疲劳的等效应力幅;∑n_i为应力循环的总次数;n_i为与应力水平Δσ_i相对应的应力循环次数;β为与连接类型有关的参数, 在这里取值为2.487 6。

　　 将等效应力幅带入式 (1) 可得满足95%保证率的, 安全使用疲劳寿命为21.98万次, 远小于实际应力循环次数57万次, 可见该节点的螺栓断裂属于疲劳断裂。

　　 该类夹板式螺栓节点来源于我国《悬挂运输设备轨道》 (GJBT—983) ^[8], 该图集适用于门式钢架轻型房屋钢结构, 构件设计使用年限为50年, 连接螺栓计算时按连接节点一侧螺栓计算, 考虑连接板双向弯矩作用, 即附加弯矩, 但不需要进行疲劳验算。

　　 由上述分析可知, 该类夹板式螺栓节点在汽车生产工业厂房应用时, 其应力水平远低于其静力强度, 在不考虑疲劳时, 完全满足结构的安全性、可靠性。然而, 由于疲劳效应的客观存在, 该类节点在使用一年后便开始陆续发生断裂。

　　 本文为了进一步研究该类节点在小型汽车生产工业建筑中的可靠性, 统计了我国某汽车生产企业近2年所有车型的重量与产量, 以及该企业所有组装车间67个月的月生产量, 统计结果如图13, 14所示。通过假设检验, 未发现车重与产量符合常见的分布模型, 而厂房的月生产量符合Weibull分布, 其单个样本Kolmogorov-Smirnovp检验显著水平为0.539 7, 概率密度函数如式 (3) 所示。

　　 $\begin{array}{l}f\left(x;34647.8,1.14\right)=\\ \{\begin{array}{l}\frac{1.14}{34647.8}\left(\frac{x}{34647.8}\right){}^{1.14-1}\text{e}{}^{-(x/34647.8)}{}^{1.14}\left(x\ge 0\right)\\ 0\left(x<0\right)\end{array}(3)\end{array}$

　　 在获取上述概率分布后, 采用Monte Carlo法 (图15) , 随机抽样2 000万次, 获得了其疲劳可靠指标随使用时间的变化曲线 (图16) , 通过该曲线可见, 该类连接节点可靠指标较低, 使用5年后失效概率达到50%。因此建议该类节点在汽车生产工业建筑中应用时, 进行疲劳强度验算。

　　 汽车工业门式钢架轻型厂房中的悬挂运输结构夹板式螺栓节点存在循环荷载作用, 其螺栓受力状态与车重呈线性关系, 可通过生产汽车的重量近似估计该节点的荷载循环次数及相应的应力幅值。一般情况下, 门式钢架轻型厂房中在悬挂运输结构夹板式螺栓节点无需验算疲劳强度, 但在汽车工业厂房中, 由于特殊的生产工艺流程, 导致螺栓节点的应力幅值过大, 使其疲劳可靠指标较低。建议该类节点在汽车生产工业建筑中应用时, 进行疲劳强度验算, 以保证其安全性, 或者采用其他类型的连接节点。