发射场厂房大门门框联接螺柱断裂分析

王朕，李伟建，王伊兰，贾立德

（1.海军航空工程学院控制工程系，山东烟台264001；2.63620部队，甘肃酒泉732750）

发射场厂房大门门框联接螺柱断裂分析

王朕1，李伟建2，王伊兰2，贾立德2

（1.海军航空工程学院控制工程系，山东烟台264001；2.63620部队，甘肃酒泉732750）

针对厂房大门门框与钢结构立柱联接螺柱断裂的问题，通过断口形貌观察、硬度测试等试验方法对螺柱断裂原因进行分析，试验结果表明，螺柱的断裂模式为塑性断裂，断裂螺柱性能比设计要求性能低。在此基础上，从安装和受力分析的角度进一步分析螺柱断裂的机理，为发射场关键设备重要连接件的检修检测等提供理论指导，防止类似螺栓断裂问题的发生。

螺柱；试验分析；塑性断裂；抗剪计算

近年来，随着火箭、卫星发射任务的增加，发射场厂房大门开关频率明显增加，厂房大门门框与钢结构立柱连接螺柱承受突变应力频率也明显增加，使得螺栓寿命降低，极易发生断裂，影响发射任务。本文通过断口形貌观察、硬度测试等试验方法，从安装和受力的角度分析了发射场厂房大门门框连接螺柱断裂机理，为该连接螺柱及其他关键设备重要连接件的检测、维修提供理论指导。发生螺柱断裂的发射场厂房大门门框由8段组成，每段通过螺柱用连接板与土建钢结构立柱相连接，如图1所示。从图中可见，连接板用焊接方式固定在钢结构立柱上，而门框角钢与连接板间采用螺柱连接的方式进行连接。

图1　门框与钢结构立柱间连接结构Fig.1 Connecting structure between doorpost and steel column

该发射场大门长期处于干燥、多风沙、日照较强的环境，大门安装应用时间达10年之久。在2015年某次卫星发射任务期间，发射场发生了厂房大门门框联接螺柱出现断裂现象，经仔细检查共有10处螺柱断裂。该联接螺柱型号为M20×40，材料为35号钢，螺母的性能等级为8级，根据GB/T 3098.2和GB/T 3098.4可知，螺柱的性能等级为8.8级。图2为2件断裂后螺柱试件。

图2　断裂螺柱Fig.2 Fracture blot

试验分析是找出螺栓断裂原因的有效方法［1-6］，本文先采用试验分析的方法对图2中2件断裂螺柱（1#、2#）的断裂原因进行分析，然后通过安装与受力分析，深入研究螺柱断裂的机理，可以通过举一反三，避免类似问题的发生，提高发射场设施设备的可靠性。

1　试验分析

1.1形貌观察

将2个螺柱断口分别置于扫描电镜下进行形貌观察。2个螺柱断口的微观形貌基本一致：源区位于一侧边缘，为线源开裂，源区呈磨损形貌，未见明显的材料缺陷；扩展区呈剪切韧窝形貌；断口部分区域存在腐蚀现象；断口微观形貌见图3、4，图上明显看出断口与正应力方向垂直，呈纤维状断口。以上形貌特征符合塑性断裂典型特征，表明2个螺柱的断裂模式均为塑性断裂［7-10］。

图3　1#螺柱断口微观形貌Fig.3 Micro-morphology on fracture of the 1# blot

图4　2#螺柱断口微观形貌Fig.4 Micro-morphology on fracture of the 2#blot

1.2显微硬度测试

对2个试样分别进行显微硬度测试，结果见表1。2个螺柱的显微硬度基本一致。按GB/T 3098.1-2000中要求，螺柱性能等级为8.8级所对应的显微硬度在255～335之间，因而判断2个螺柱的显微硬度均低于设计要求，所对应抗拉强度比设计要求低［11-13］。

表1　显微硬度测试结果Tab.1 Testing result of microscopic stiffness

2　螺柱断裂机理分析

2.1安装状态分析

螺柱的安装状态主要考虑两方面：一是螺柱的预紧力，二是螺柱在门框角钢螺栓孔中的相对位置。在实际安装中可能由于各种因素的干扰，导致螺柱的安装状态千差万别。

为了方便问题的分析，预紧力取4种情况：①螺柱松动或没有螺母，预紧力为0；②预紧力是设计值的30%；③预紧力是设计值的60%；④预紧力等于设计值。相对位置取3种情况，如图5所示。图5 a）、c）中，螺柱位于螺栓孔的极限位置，分别与螺栓孔顶部和底部接触，图5 b）中，螺柱正确安装，螺柱位于螺栓孔中心。实际的安装位置是一随机事件，假设这一随机事件服从正态分布，并符合3σ原则，即大部分的安装位置处于图5 a）、c）两极限位置之间，而只有0.3%的概率处于图5中的两极限位置。对于单侧门框而言，极限位置个数为340×0.3%=1.02，即至少有一个螺柱位于图5 a）或图5 c）的位置。需要指出的是，这里的极限位置不一定是安装时造成的，长期使用后门框相对连接板的相对滑动也可使临近极限位置的螺柱达到极限位置。

图5　螺柱与螺栓孔相对位置示意图Fig.5 Comparative position diagram between screw and blot hole

螺柱的实际状态可认为涵盖在4种预紧力和3种相对位置的范围里。在门框重力作用下，图5 c）中的安装位置有利于螺柱与螺栓孔的分离，因而不考虑这种情况。下面着重分析4种预紧力与2种相对位置的组合状态，并采用简记的形式，如“④+（b）型”等。

2.2全部螺柱正确安装时螺柱抗剪计算

从1.2节中的分析可以看出，实际安装的螺柱性能没有达到8.8级螺柱的性能要求，近似相当于6.8级螺柱的性能。在抗剪承载力计算时，假设每个螺柱均匀受力。单个高强螺栓抗剪承载力设计值为

如果螺柱的预紧力P为设计值110 kN，由式（1）得：

根据均匀受力假设，每个螺栓实际承受剪力为

式（2）中：Nv为一个螺栓承受的剪力；Gi为门框各段重力；Gm为大门部分重力；Z为承力螺栓总数。

由式（2）得：

可见，Nv=1.74 kN＜=34.65 kN，即螺柱实际承受剪力小于抗剪承载力设计值，所以该连接满足强度要求。

如果螺柱的预紧力按下式计算：

式（3）中：σs为屈服强度，性能等级6.8的屈服强度为480 MPa；As为公称应力截面积，查机械设计手册，As=245mm2；系数取0.5。

因此，在正常使用条件下全部螺柱均匀受力时，每个螺柱实际承受剪力小于抗剪承载力设计值，满足强度要求，不会发生断裂事故。

2.3部分螺柱未正确安装时螺柱抗剪计算

实际使用中，由于螺柱安装状态的多样性，不可能全部正确安装，导致了任意连接节点处螺柱实际受力状态的复杂性，往往是几种情况的混合状态，如不承力、栓杆抗剪或者摩擦抗剪。图6为一种典型的连接板形式，通过分析图6中部分螺柱未正确安装时，螺柱连接是否仍然安全与可靠。图6设定了连接板上4个螺柱的安装状态，其中Ⅰ号螺柱为①+（a）型，Ⅱ号螺柱为②+（b）型，Ⅲ号螺柱为③+（b）型，Ⅳ号螺柱为④+（b）型。

图6　连接板螺柱安装状态Fig.6 Installation state of connected blots

假设该连接板位于门框1段，并且承受门框1段受力的50%。在重力方向对其进行受力分析，实际所需摩擦力为F，螺柱预紧提供的最大摩擦力为Fmax，Ⅰ号螺柱螺杆剪力为Q，则由力学平衡有

式（4）中：当Fmax＞F时，Q=0，螺柱提供的摩擦力大于要求的摩擦力，连接安全，Ⅰ号螺柱螺杆不受剪力；当Fmax＜F时，Q≠0，螺柱提供的摩擦力小于要求的摩擦力，Ⅰ号螺柱螺杆承受剪力，可能带来安全隐患。

实际所需摩擦力：

按螺柱预紧力，可以达到的最大摩擦力Fmax为

式（5）中：μ为抗滑移系数；Pi为每个螺柱的预紧力；Kf为可靠性系数，Kf=1.5。

若P=110 kN，则

由于Fmax=48.77 kN＞F=37.26 kN，可见，连接仍然是安全的，但安全余量变小。

若P按式（3）计算给出，P=58.8 kN，则：

由于Fmax=26.07 kN＜F=37.26 kN，则Q=F-Fmax=11.19 kN。由式（6）计算剪切强度：

式（6）中：Fs为工作剪力；ds为受剪面直径，取为17.296mm。将Q代入式（6）得τ=47.64 MPa，小于8.8级螺柱的剪切强度461.88 MPa（该值记为τ8.8），也小于6.8级螺柱的剪切强度346.41 MPa（该值记为τ6.8），不会发生剪断问题。

从以上的分析可知，在部分螺柱未正确安装时，只要预紧力足够，螺柱连接都是安全的，但在螺柱预紧力不够时，将导致极限位置螺柱的螺杆开始受剪。从式（4）可知，螺柱螺母一旦安装后，Fmax为常量，F的任何增量，直接传递给Ⅰ号螺柱，导致其螺杆剪力Q的等量增加，这在一些极端受力情况下，将给结构的安全带来重大影响［15-17］。

门框在经过十多年的使用后，由于各种原因导致了螺柱螺母松动，使螺柱的安装状态发生了变化，门框各段相对立柱发生了滑移，导致门框各段间的作用力不能被忽略，底部门框段的螺柱承受2个或者更多门框段的重量的可能性增大。假设门框2～8段均有20%的重力传递到门框1段，则：

当P=110 kN时，由式（4）、（6）得：

由于τ1＞τ6.8=346.41 MPa，τ2＞τ6.8，该螺柱将断裂。可见，在螺柱性能不足，安装状态和受力都恶化的情况下，将导致断裂的发生。

3　结论

通过试验分析和机理分析发现，螺柱性能、预紧力以及额外载荷是这次螺柱断裂问题的主要影响因素。建议采取全部更换所有门框螺柱，改变升降门扇的停放方式，定期检测大门门框相对钢结构立柱的滑移量等措施防止类似问题的发生，确保螺柱的预紧力符合安装要求，最终确保试验任务的顺利实施。

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Doorpost Blots Fracture Analysis of Door in The Missile-Space

WANG Zhen1，LI Weijian2，WANG Yilan2，JIA Lide2
（1.Department of Control Engineering，NAAU，Yantai Shandong 264001，China；2.The 63620thUnit of PLA，Jiuquan Gansu 735000，China）

To the question of the blots fracture in the doorpost of the satellite launch place，the fracture reasons of blots were analyzed by ways of stiffness testing，morphology observing on fracture surface etc.By experimental analysis，it was showed that the fracture model of blots was plastic fracture and the fracture capacity of blots was inferior to the design capacity.The fracture mechanism of blots was farther analyzed in terms of installing and tolerance.The results offered the theoretical-direction of the detect and maintenance for the blots which belonged to the critical facility，and the similar questions such as fracture of blots were avoided.

blot；experiment analysis；plastic fracture；shear test calculation

V55

A

1673-1522（2016）03-0395-06DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2016.03.017

2016-03-29；

2016-04-28

王朕（1979-），男，讲师，硕士。