易志宏　劉浪　田波　胡方年

【摘 要】環(huán)槽鉚釘具有預緊力一致性好、防松動能力優(yōu)異、抗疲勞、抗延遲斷裂能力強等特點，是公路橋梁連接副的理想選擇。但由于缺乏相關(guān)試驗研究以及工程實用案例，環(huán)槽鉚釘在公路橋梁上鮮有使用。文章依托某鋼混組合梁橋工程，開展了環(huán)槽鉚釘雙摩擦面抗剪試驗、抗剪疲勞試驗研究，并與傳統(tǒng)高強螺栓進行對比。試驗結(jié)果表明：（1）同類型環(huán)槽鉚釘與高強螺栓荷載-位移曲線變化趨勢大致相同，且環(huán)槽鉚釘和高強螺栓在滑動后并沒有迅速失效，高強度螺栓滑動后瞬間損失的承載力要大于同類型環(huán)槽鉚釘滑動后瞬間損失的承載力。（2）環(huán)槽鉚釘?shù)目够葡禂?shù)、滑動力和抗剪極限承載力均高于同類型高強螺栓的抗滑移系數(shù)和滑動力，且離散性更小，穩(wěn)定性更好。（3）200萬次疲勞試驗對高強螺栓和環(huán)槽鉚釘?shù)念A緊力、滑動力和極限抗剪承載力影響很小，且前者損失要大于同類型后者。研究成果對推動環(huán)槽鉚釘在鋼橋中的應(yīng)用具有一定指導意義和理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】環(huán)槽鉚釘; 雙摩擦面抗剪試驗; 疲勞試驗; 滑動力; 極限抗剪承載力; 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁

【中圖分類號】U441+.4【文獻標志碼】A

近年來，我國鋼鐵業(yè)環(huán)保疊加去產(chǎn)能[1]，綠色鋼橋迎來發(fā)展契機。公路行業(yè)大力推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁，大大緩解鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過剩的壓力，也是落實中央“綠色交通”發(fā)展戰(zhàn)略的有效途徑。

現(xiàn)階段，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的緊固連接方式主要為高強螺栓連接和焊接[2]。國內(nèi)已建鋼橋經(jīng)過一定時期的應(yīng)用，逐步出現(xiàn)“連接螺栓松動、脫落、銹蝕”造成行車安全事故的問題，行業(yè)痛點亟待解決。橋梁鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)需要創(chuàng)新產(chǎn)品的沖擊，促使鋼橋行業(yè)取得新的突破。為解決以上工程問題，環(huán)槽鉚釘[3]應(yīng)運而生，它利用虎克定律原理，用專用鉚接工具將2個結(jié)合件夾緊后，將套環(huán)的金屬擠壓并充滿到帶有多條環(huán)狀溝槽的鉚釘?shù)陌疾蹆?nèi)，使套環(huán)與鉚釘嚴密結(jié)合的一種緊固方式。因此，每根環(huán)槽鉚釘緊固件在組裝完成后具有相同的緊固力及永不松動等特性，且整個鉚接過程僅需要5～8 s，其優(yōu)點是鋼結(jié)構(gòu)橋梁連接副的理想特性。

然而，環(huán)槽鉚釘技術(shù)在國外應(yīng)用廣泛，在國內(nèi)局限于航空、鐵路等領(lǐng)域，在我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用還處于初探階段。目前，國內(nèi)關(guān)于環(huán)槽鉚釘?shù)难芯枯^少，主要集中在低強度鉚釘，對類似于橋梁用的高強度鉚釘探究十分罕見。鄧華等[4]針對工程中常用的鋁合金板件環(huán)槽鉚釘搭接連接，進行了其受剪性能的靜力試驗。王中興等[5]對環(huán)槽鉚釘連接的鋁合金梁柱節(jié)點進行了單調(diào)加載試驗與循環(huán)加載試驗。王元清等[6]對使用不銹鋼環(huán)槽鉚釘連接的鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點進行了靜力加載試驗，研究了其變形性能、節(jié)點剛度、破壞模式和極限承載力。

此外，對于公路橋梁，由于鋼板件厚度大、抗滑移系數(shù)高，鋼結(jié)構(gòu)連接類型應(yīng)屬于摩擦型連接，對連接副的強度要求也很高，且連接副主要以受彎、受剪為主[7]。我國現(xiàn)行橋梁系列規(guī)范也無有關(guān)驗算指導條文。因此，研究橋梁用環(huán)槽鉚釘?shù)牧W特性是一個全新的研究課題，對推動環(huán)槽鉚釘在鋼橋中的應(yīng)用具有一定指導意義并提供了理論依據(jù)。

本文結(jié)合某5×30 m簡支橋面連續(xù)鋼混組合梁橋工程，該鋼箱梁縱向拼接位置用環(huán)槽鉚釘代替高強螺栓，連接底板、底板加勁肋和腹板。本文選擇應(yīng)用于上述鋼混組合梁橋的環(huán)槽鉚釘為研究對象，開展了環(huán)槽鉚釘?shù)碾p摩擦面接頭抗剪承載力試驗，測出每個試件的荷載-位移曲線，并對比高強度螺栓和環(huán)槽鉚釘?shù)碾p摩擦面抗剪承載力及抗滑移系數(shù)。同時，開展了環(huán)槽鉚釘?shù)碾p面摩擦疲勞試驗，研究環(huán)槽鉚釘在設(shè)計疲勞荷載循環(huán)作用下的疲勞性能和破壞情況。

1 雙摩擦面接頭抗剪承載力試驗

1.1 試驗概述

依據(jù)工程實際情況并參照JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[8]，該試驗設(shè)計了2種環(huán)槽鉚釘連接類型和與之對比分析的2種高強度螺栓連接類型，每組連接類型包含三個相同連接試件，試件基本組成有上端板、下端板、試驗區(qū)連接副、試驗區(qū)頂板、試驗區(qū)底板、中板和端板處高強度螺栓，各試件基本參數(shù)及分組情況詳見表1。其中，環(huán)槽鉚釘型號為LMDSM-T24，高強度螺栓型號為10.9S-M24，兩種連接副的螺桿尺寸和強度相同，均為公稱直徑24 mm的10.9級，如圖1所示。圖2給出了各試件幾何構(gòu)造。

為進行兩種試件的雙摩擦面接頭抗剪承載力試驗，采用400 t級大噸位反位裝置和MTS-793電液伺服加載控制系統(tǒng)對其進行加載，試件通過前后端板連接件安裝在加載裝置上，試驗過程中試樣與連接件之無滑移。試驗之前，采用DTC-N1000REV數(shù)顯式扭矩扳手對高強螺栓進行施擰，采用SMART LINE液壓型鉚接設(shè)備對環(huán)槽鉚釘進行鉚接。試驗過程中，采用MTS Model FlexDAC20 MTS電液伺服加載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集，采用激光位移傳感器進行試件動態(tài)位移測量。圖3給出了高強螺栓與環(huán)槽鉚釘抗剪試驗安裝情況。

1.2 試驗結(jié)果

通過雙摩擦面接頭抗剪承載力試驗，測量了高強螺栓試件和環(huán)槽鉚釘試件極限荷載。依據(jù)GB/T 34478-2017《鋼板栓接面抗滑移系數(shù)的測定》[9]，抗滑移系數(shù)計算公式如下：

式中：μ為抗滑移系數(shù);Nv為栓接面產(chǎn)生滑動為側(cè)的滑動力，kN;nf為傳力摩擦面數(shù)目;∑mi=1Pu為試件滑動一測的螺栓連接副預拉力實測值之和，kN;m為試件一側(cè)的螺栓數(shù)目。

通過試驗加載，得到兩種試件的荷載-位移曲線，如圖4所示。

表2列舉出了兩種試件雙摩擦面接頭抗剪承載力試驗結(jié)果。圖5給出了兩種試件抗剪試驗的破壞情況。

由表2可知，環(huán)槽鉚釘?shù)目够葡禂?shù)、滑動力和抗剪極限承載力均高于高強螺栓的抗滑移系數(shù)和滑動力，且離散性更小，穩(wěn)定性更好。

Winter[10]將連接副抗剪連接達到極限承載力時，可能的破壞形式分為四種形式：①栓桿被剪斷;②螺栓承壓破壞;③板件凈截面被拉斷;④端板被栓桿沖剪破壞。由于本文試驗采用的連接副為10.9級M24高強度，所以試驗中只觀察到中間鋼板在最外側(cè)連接副外側(cè)受拉橫向撕裂破壞。

2 雙面摩擦疲勞試驗

2.1 試驗概述

本試驗設(shè)計與抗剪試驗試件相同并且符合工程實際情況的試件2組，如表1所示。其中，環(huán)槽鉚釘型號為LMDSM-T24，高強度螺栓型號為10.9S-M24，兩種連接副的螺桿尺寸和強度相同，均為公稱直徑24 mm的10.9級，如圖1所示。連接試件幾何構(gòu)造與抗剪試驗試件幾何構(gòu)造相同，如圖2所示。

試驗裝置采用MTS793電液伺服試驗機，如圖6所示。試件通過上、下連接件安裝在加載裝置上，試驗過程中試樣與連接件之無滑移。

疲勞試驗選用軸向加載方式，盡可能重現(xiàn)結(jié)構(gòu)在使用條件下的工作應(yīng)力狀態(tài)和疲勞破壞形式。疲勞加載控制方式采用荷載控制，即在試驗全過程中保持荷載為常幅式正弦波，加載頻率為3.5 Hz。

參考JTG 64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》附錄C，選定其疲勞應(yīng)力 為110 MPa，應(yīng)力幅取值范圍為0～110 MPa。

2.2 試驗結(jié)果

兩組試件均在設(shè)計疲勞荷載作用下循環(huán)加載200萬次，觀察試件有無發(fā)生疲勞破壞或者其他異常情況。

通過雙面摩擦200萬次疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，試驗過程中未見試件因疲勞荷載產(chǎn)生損傷，測量位移幅值沒有明顯增大，試件剛度沒有下降。疲勞荷載加載完成后，經(jīng)觀測，環(huán)槽鉚釘和高強螺栓試件工作狀況良好。

比較疲勞加載前后試件的預緊力值，如表3所示。200萬次疲勞試驗對高強螺栓和環(huán)槽鉚釘?shù)念A緊力影響很小，分別減小了6.6 kN和4.2 kN，兩者都能滿足200萬次疲勞試驗要求。且前者預緊力損失要大于后者。

為對比分析高強螺栓和環(huán)槽鉚釘試件疲勞試驗前后滑動力、極限荷載變化情況，在疲勞試驗前，保持和疲勞試驗幾何尺寸、預緊力一致的情況下，增加2組試驗試件，每組試驗試件各三個，與疲勞試驗后的試件形成對比，并對新增加的試件進行抗剪試驗，試驗結(jié)果見表4所示。由表4可知，高強螺栓和環(huán)槽鉚釘試件滑動力和極限荷載在疲勞試驗前后變化很小，其中，前者變化值大于后者變化值。

3 結(jié)論

本文通過對環(huán)槽鉚釘和高強螺栓構(gòu)件分別進行雙摩擦面接頭抗剪承載力試驗、雙面摩擦疲勞試驗，主要得到以下結(jié)論：

（1）同類型環(huán)槽鉚釘與高強螺栓荷載-位移曲線變化趨勢大致相同，且環(huán)槽鉚釘和高強螺栓在滑動后并沒有迅速失效，高強度螺栓滑動后瞬間損失的承載力要大于同類型環(huán)槽鉚釘滑動后瞬間損失的承載力。

（2）環(huán)槽鉚釘?shù)目够葡禂?shù)、滑動力和抗剪極限承載力均高于同類型高強螺栓的抗滑移系數(shù)和滑動力，且離散性更小，穩(wěn)定性更好。

（3）200萬次疲勞試驗對高強螺栓和環(huán)槽鉚釘?shù)念A緊力、滑動力和極限抗剪承載力影響很小，且前者預緊力損失要大于同類型后者。

本文對環(huán)槽鉚釘做了系列基礎(chǔ)性的試驗研究，可為環(huán)槽鉚釘在鋼結(jié)構(gòu)橋梁上的應(yīng)用提供一定參考。為更全面系統(tǒng)地了解環(huán)槽鉚釘對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的整體性作用，后續(xù)將開展鋼橋關(guān)鍵節(jié)點以及整體結(jié)構(gòu)的模型試驗。

參考文獻

[1]黃維， 胡云鵬， 黃寶. 中國鋼鐵工業(yè)運行現(xiàn)狀與展望[J]. 冶金經(jīng)濟與管理， 2018， 192（3）：22-25.

[2]張永忠. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓組連接設(shè)計[J]. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)， 2013， （12）：23-23.

[3]王元清， 張穎， 張俊光，等. 鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體變形性能試驗研究[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術(shù)版， 2020， 353（5）：91-98.

[4]鄧華， 陳偉剛， 白光波，等. 鋁合金板件環(huán)槽鉚釘搭接連接受剪性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報， 2016， 37（1）：147-153.

[5]Wang Z， Wang Y， Zhang Y， et al. Experimental investigation and design of extruded aluminium alloy T-stubs connected by swage-locking pins [J]. Engineering Structures， 2019， 200： 109675.

[6]王元清， 張穎， 張俊光， 等. 鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體變形性能試驗研究[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術(shù)版， 2020， 53（5）： 527 ？ 534.

[7]胡昊. 橋梁鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓組連接設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造， 2012（3）： 161-163.

[8]中交公路規(guī)化設(shè)計院有限公司. JTG D64-2015 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S]. 北京： 人民交通出版社， 2015.

[9]中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會. GB/T 34478-2017 鋼板栓接面抗滑移系數(shù)的測定[S]. 北京： 人民交通出版社， 2018.

[10]Winter G. Tests on Bolted Connections in Light Gage Steel[J]. Journal of the Structural Division， 1956， 82（2）： 1-25.

[定稿日期]2021-09-06

[基金項目]四川省交通科技項目（項目編號：2016B2-2、2012C14-2）

[作者簡介]易志宏（1977～），男，碩士，高級工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)研究。