本发明涉及材料力学性能测试领域，公开一种大型结构疲劳试样装夹装置，包括：法兰组件，法兰组件包括两个相对设置的法兰，两个法兰分别用于与试验装置和试样相连；用于定位两个法兰的中心的定位销；用于连接两个法兰的连接机构，连接机构包括由内至外依次设置的第一螺栓组件和膨胀销组件，第一螺栓组件包括多个沿定位销的周向设置的第一螺栓，膨胀销组件包括多个对称设置于定位销的第一侧和第二侧的膨胀销，各第一螺栓和各膨胀销均用于连接两个法兰。该大型结构疲劳试样装夹装置能够将大型结构件牢固装夹于试验装置上。