铁路混凝土工程钢筋机械连接疲劳性能试验研究
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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：Φ16、Φ25、Φ32。
b、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2.0×105MPa。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2.1×105MPa，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235MPa。
c、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试验。
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。
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1/8-1/2。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。
图为Φ25滚轧连接试件的疲劳试验 图为疲劳破坏的试件
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：Φ16钢筋选2.0螺距为最佳螺距，Φ25钢筋选2.5螺距为最佳螺距，Φ32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300MPa，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1。S―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（σ）=3.38-0.21log（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：
图2.4.4 试件高应力幅疲劳破坏型式图
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达到强化的目的，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HRB400 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达到预期值。