橋梁用高強度環槽鉚釘抗剪承載力和疲勞特性試驗研究

易志宏　劉浪　田波　胡方年

【摘 要】環槽鉚釘具有預緊力一致性好、防松動能力優異、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。但由于缺乏相關試驗研究以及工程實用案例，環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，開展了環槽鉚釘雙摩擦面抗剪試驗、抗剪疲勞試驗研究，并與傳統高強螺栓進行對比。試驗結果表明：（1）同類型環槽鉚釘與高強螺栓荷載-位移曲線變化趨勢大致相同，且環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槽鉚釘滑動后瞬間損失的承載力。（2）環槽鉚釘的抗滑移系數、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和滑動力，且離散性更小，穩定性更好。（3）200萬次疲勞試驗對高強螺栓和環槽鉚釘的預緊力、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。研究成果對推動環槽鉚釘在鋼橋中的應用具有一定指導意義和理論依據。

【關鍵詞】環槽鉚釘; 雙摩擦面抗剪試驗; 疲勞試驗; 滑動力; 極限抗剪承載力; 公路鋼結構橋梁

【中圖分類號】U441+.4【文獻標志碼】A

近年來，我國鋼鐵業環保疊加去產能[1]，綠色鋼橋迎來發展契機。公路行業大力推廣鋼結構橋梁，大大緩解鋼鐵行業產能過剩的壓力，也是落實中央“綠色交通”發展戰略的有效途徑。

現階段，鋼結構橋梁的緊固連接方式主要為高強螺栓連接和焊接[2]。國內已建鋼橋經過一定時期的應用，逐步出現“連接螺栓松動、脫落、銹蝕”造成行車安全事故的問題，行業痛點亟待解決。橋梁鋼結構行業需要創新產品的沖擊，促使鋼橋行業取得新的突破。為解決以上工程問題，環槽鉚釘[3]應運而生，它利用虎克定律原理，用專用鉚接工具將2個結合件夾緊后，將套環的金屬擠壓并充滿到帶有多條環狀溝槽的鉚釘的凹槽內，使套環與鉚釘嚴密結合的一種緊固方式。因此，每根環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，其優點是鋼結構橋梁連接副的理想特性。

然而，環槽鉚釘技術在國外應用廣泛，在國內局限于航空、鐵路等領域，在我國鋼結構橋梁中的應用還處于初探階段。目前，國內關于環槽鉚釘的研究較少，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]對環槽鉚釘連接的鋁合金梁柱節點進行了單調加載試驗與循環加載試驗。王元清等[6]對使用不銹鋼環槽鉚釘連接的鋁合金箱形-工字形盤式節點進行了靜力加載試驗，研究了其變形性能、節點剛度、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、抗滑移系數高，鋼結構連接類型應屬于摩擦型連接，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]。我國現行橋梁系列規范也無有關驗算指導條文。因此，研究橋梁用環槽鉚釘的力學特性是一個全新的研究課題，對推動環槽鉚釘在鋼橋中的應用具有一定指導意義并提供了理論依據。

本文結合某5×30 m簡支橋面連續鋼混組合梁橋工程，該鋼箱梁縱向拼接位置用環槽鉚釘代替高強螺栓，連接底板、底板加勁肋和腹板。本文選擇應用于上述鋼混組合梁橋的環槽鉚釘為研究對象，開展了環槽鉚釘的雙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槽鉚釘的雙摩擦面抗剪承載力及抗滑移系數。同時，開展了環槽鉚釘的雙面摩擦疲勞試驗，研究環槽鉚釘在設計疲勞荷載循環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

依據工程實際情況并參照JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[8]，該試驗設計了2種環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、試驗區連接副、試驗區頂板、試驗區底板、中板和端板處高強度螺栓，各試件基本參數及分組情況詳見表1。其中，環槽鉚釘型號為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液壓型鉚接設備對環槽鉚釘進行鉚接。試驗過程中，采用MTS Model FlexDAC20 MTS電液伺服加載數據采集系統進行動態數據采集，采用激光位移傳感器進行試件動態位移測量。圖3給出了高強螺栓與環槽鉚釘抗剪試驗安裝情況。

1.2 試驗結果

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槽鉚釘試件極限荷載。依據GB/T 34478-2017《鋼板栓接面抗滑移系數的測定》[9]，抗滑移系數計算公式如下：

式中：μ為抗滑移系數;Nv為栓接面產生滑動為側的滑動力，kN;nf為傳力摩擦面數目;∑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為試件一側的螺栓數目。

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，環槽鉚釘的抗滑移系數、滑動力和抗剪極限承載力均高于高強螺栓的抗滑移系數和滑動力，且離散性更小，穩定性更好。

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連接副外側受拉橫向撕裂破壞。

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。連接試件幾何構造與抗剪試驗試件幾何構造相同，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，盡可能重現結構在使用條件下的工作應力狀態和疲勞破壞形式。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《公路鋼結構橋梁設計規范》附錄C，選定其疲勞應力 為110 MPa，應力幅取值范圍為0～110 MPa。

2.2 試驗結果

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

通過雙面摩擦200萬次疲勞試驗發現，試驗過程中未見試件因疲勞荷載產生損傷，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，經觀測，環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槽鉚釘的預緊力影響很小，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，試驗結果見表4所示。由表4可知，高強螺栓和環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 結論

本文通過對環槽鉚釘和高強螺栓構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，主要得到以下結論：

（1）同類型環槽鉚釘與高強螺栓荷載-位移曲線變化趨勢大致相同，且環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槽鉚釘滑動后瞬間損失的承載力。

（2）環槽鉚釘的抗滑移系數、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和滑動力，且離散性更小，穩定性更好。

（3）200萬次疲勞試驗對高強螺栓和環槽鉚釘的預緊力、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。

本文對環槽鉚釘做了系列基礎性的試驗研究，可為環槽鉚釘在鋼結構橋梁上的應用提供一定參考。為更全面系統地了解環槽鉚釘對鋼結構橋梁的整體性作用，后續將開展鋼橋關鍵節點以及整體結構的模型試驗。

參考文獻

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[6]王元清， 張穎， 張俊光， 等. 鋁合金箱形-工字形盤式節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版， 2020， 53（5）： 527 ？ 534.

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[8]中交公路規化設計院有限公司. JTG D64-2015 公路鋼結構橋梁設計規范[S]. 北京： 人民交通出版社， 2015.

[9]中國鋼鐵工業協會. GB/T 34478-2017 鋼板栓接面抗滑移系數的測定[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，主要從事橋梁結構研究。