桥梁用高强度环槽铆钉抗剪承载力和疲劳特性试验研究

易志宏　刘浪　田波　胡方年

【摘 要】环槽铆钉具有预紧力一致性好、防松动能力优异、抗疲劳、抗延迟断裂能力强等特点，是公路桥梁连接副的理想选择。但由于缺乏相关试验研究以及工程实用案例，环槽铆钉在公路桥梁上鲜有使用。文章依托某钢混组合梁桥工程，开展了环槽铆钉双摩擦面抗剪试验、抗剪疲劳试验研究，并与传统高强螺栓进行对比。试验结果表明：（1）同类型环槽铆钉与高强螺栓荷载-位移曲线变化趋势大致相同，且环槽铆钉和高强螺栓在滑动后并没有迅速失效，高强度螺栓滑动后瞬间损失的承载力要大于同类型环槽铆钉滑动后瞬间损失的承载力。（2）环槽铆钉的抗滑移系数、滑动力和抗剪极限承载力均高于同类型高强螺栓的抗滑移系数和滑动力，且离散性更小，稳定性更好。（3）200万次疲劳试验对高强螺栓和环槽铆钉的预紧力、滑动力和极限抗剪承载力影响很小，且前者损失要大于同类型后者。研究成果对推动环槽铆钉在钢桥中的应用具有一定指导意义和理论依据。

【关键词】环槽铆钉; 双摩擦面抗剪试验; 疲劳试验; 滑动力; 极限抗剪承载力; 公路钢结构桥梁

【中图分类号】U441+.4【文献标志码】A

近年来，我国钢铁业环保叠加去产能[1]，绿色钢桥迎来发展契机。公路行业大力推广钢结构桥梁，大大缓解钢铁行业产能过剩的压力，也是落实中央“绿色交通”发展战略的有效途径。

现阶段，钢结构桥梁的紧固连接方式主要为高强螺栓连接和焊接[2]。国内已建钢桥经过一定时期的应用，逐步出现“连接螺栓松动、脱落、锈蚀”造成行车安全事故的问题，行业痛点亟待解决。桥梁钢结构行业需要创新产品的冲击，促使钢桥行业取得新的突破。为解决以上工程问题，环槽铆钉[3]应运而生，它利用虎克定律原理，用专用铆接工具将2个结合件夹紧后，将套环的金属挤压并充满到带有多条环状沟槽的铆钉的凹槽内，使套环与铆钉严密结合的一种紧固方式。因此，每根环槽铆钉紧固件在组装完成后具有相同的紧固力及永不松动等特性，且整个铆接过程仅需要5～8 s，其优点是钢结构桥梁连接副的理想特性。

然而，环槽铆钉技术在国外应用广泛，在国内局限于航空、铁路等领域，在我国钢结构桥梁中的应用还处于初探阶段。目前，国内关于环槽铆钉的研究较少，主要集中在低强度铆钉，对类似于桥梁用的高强度铆钉探究十分罕见。邓华等[4]针对工程中常用的铝合金板件环槽铆钉搭接连接，进行了其受剪性能的静力试验。王中兴等[5]对环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点进行了单调加载试验与循环加载试验。王元清等[6]对使用不锈钢环槽铆钉连接的铝合金箱形-工字形盘式节点进行了静力加载试验，研究了其变形性能、节点刚度、破坏模式和极限承载力。

此外，对于公路桥梁，由于钢板件厚度大、抗滑移系数高，钢结构连接类型应属于摩擦型连接，对连接副的强度要求也很高，且连接副主要以受弯、受剪为主[7]。我國现行桥梁系列规范也无有关验算指导条文。因此，研究桥梁用环槽铆钉的力学特性是一个全新的研究课题，对推动环槽铆钉在钢桥中的应用具有一定指导意义并提供了理论依据。

本文结合某5×30 m简支桥面连续钢混组合梁桥工程，该钢箱梁纵向拼接位置用环槽铆钉代替高强螺栓，连接底板、底板加劲肋和腹板。本文选择应用于上述钢混组合梁桥的环槽铆钉为研究对象，开展了环槽铆钉的双摩擦面接头抗剪承载力试验，测出每个试件的荷载-位移曲线，并对比高强度螺栓和环槽铆钉的双摩擦面抗剪承载力及抗滑移系数。同时，开展了环槽铆钉的双面摩擦疲劳试验，研究环槽铆钉在设计疲劳荷载循环作用下的疲劳性能和破坏情况。

1 双摩擦面接头抗剪承载力试验

1.1 试验概述

依据工程实际情况并参照JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》[8]，该试验设计了2种环槽铆钉连接类型和与之对比分析的2种高强度螺栓连接类型，每组连接类型包含三个相同连接试件，试件基本组成有上端板、下端板、试验区连接副、试验区顶板、试验区底板、中板和端板处高强度螺栓，各试件基本参数及分组情况详见表1。其中，环槽铆钉型号为LMDSM-T24，高强度螺栓型号为10.9S-M24，两种连接副的螺杆尺寸和强度相同，均为公称直径24 mm的10.9级，如图1所示。图2给出了各试件几何构造。

为进行两种试件的双摩擦面接头抗剪承载力试验，采用400 t级大吨位反位装置和MTS-793电液伺服加载控制系统对其进行加载，试件通过前后端板连接件安装在加载装置上，试验过程中试样与连接件之无滑移。试验之前，采用DTC-N1000REV数显式扭矩扳手对高强螺栓进行施拧，采用SMART LINE液压型铆接设备对环槽铆钉进行铆接。试验过程中，采用MTS Model FlexDAC20 MTS电液伺服加载数据采集系统进行动态数据采集，采用激光位移传感器进行试件动态位移测量。图3给出了高强螺栓与环槽铆钉抗剪试验安装情况。

1.2 试验结果

通过双摩擦面接头抗剪承载力试验，测量了高强螺栓试件和环槽铆钉试件极限荷载。依据GB/T 34478-2017《钢板栓接面抗滑移系数的测定》[9]，抗滑移系数计算公式如下：

式中：μ为抗滑移系数;Nv为栓接面产生滑动为侧的滑动力，kN;nf为传力摩擦面数目;∑mi=1Pu为试件滑动一测的螺栓连接副预拉力实测值之和，kN;m为试件一侧的螺栓数目。

通过试验加载，得到两种试件的荷载-位移曲线，如图4所示。

表2列举出了两种试件双摩擦面接头抗剪承载力试验结果。图5给出了两种试件抗剪试验的破坏情况。

由表2可知，环槽铆钉的抗滑移系数、滑动力和抗剪极限承载力均高于高强螺栓的抗滑移系数和滑动力，且离散性更小，稳定性更好。

Winter[10]将连接副抗剪连接达到极限承载力时，可能的破坏形式分为四种形式：①栓杆被剪断;②螺栓承压破坏;③板件净截面被拉断;④端板被栓杆冲剪破坏。由于本文试验采用的连接副为10.9级M24高强度，所以试验中只观察到中间钢板在最外侧连接副外侧受拉横向撕裂破坏。

2 双面摩擦疲劳试验

2.1 试验概述

本试验设计与抗剪试验试件相同并且符合工程实际情况的试件2组，如表1所示。其中，环槽铆钉型号为LMDSM-T24，高强度螺栓型号为10.9S-M24，两种连接副的螺杆尺寸和强度相同，均为公称直径24 mm的10.9级，如图1所示。连接试件几何构造与抗剪试验试件几何构造相同，如图2所示。

试验装置采用MTS793电液伺服试验机，如图6所示。试件通过上、下连接件安装在加载装置上，试验过程中试样与连接件之无滑移。

疲劳试验选用轴向加载方式，尽可能重现结构在使用条件下的工作应力状态和疲劳破坏形式。疲劳加载控制方式采用荷载控制，即在试验全过程中保持荷载为常幅式正弦波，加载频率为3.5 Hz。

参考JTG 64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》附录C，选定其疲劳应力 为110 MPa，应力幅取值范围为0～110 MPa。

2.2 试验结果

两组试件均在设计疲劳荷载作用下循环加载200万次，观察试件有无发生疲劳破坏或者其他异常情况。

通过双面摩擦200万次疲劳试验发现，试验过程中未见试件因疲劳荷载产生损伤，测量位移幅值没有明显增大，试件刚度没有下降。疲劳荷载加载完成后，经观测，环槽铆钉和高强螺栓试件工作状况良好。

比较疲劳加载前后试件的预紧力值，如表3所示。200万次疲劳试验对高强螺栓和环槽铆钉的预紧力影响很小，分别减小了6.6 kN和4.2 kN，两者都能满足200万次疲劳试验要求。且前者预紧力损失要大于后者。

为对比分析高强螺栓和环槽铆钉试件疲劳试验前后滑动力、极限荷载变化情况，在疲劳试验前，保持和疲劳试验几何尺寸、预紧力一致的情况下，增加2组试验试件，每组试验试件各三个，与疲劳试验后的试件形成对比，并对新增加的试件进行抗剪试验，试验结果见表4所示。由表4可知，高强螺栓和环槽铆钉试件滑动力和极限荷载在疲劳试验前后变化很小，其中，前者变化值大于后者变化值。

3 结论

本文通过对环槽铆钉和高强螺栓构件分别进行双摩擦面接头抗剪承载力试验、双面摩擦疲劳试验，主要得到以下结论：

（1）同类型环槽铆钉与高强螺栓荷载-位移曲线变化趋势大致相同，且环槽铆钉和高强螺栓在滑动后并没有迅速失效，高强度螺栓滑动后瞬间损失的承载力要大于同类型环槽铆钉滑动后瞬间损失的承载力。

（2）环槽铆钉的抗滑移系数、滑动力和抗剪极限承载力均高于同类型高强螺栓的抗滑移系数和滑动力，且离散性更小，稳定性更好。

（3）200万次疲劳试验对高强螺栓和环槽铆钉的预紧力、滑动力和极限抗剪承载力影响很小，且前者预紧力损失要大于同类型后者。

本文对环槽铆钉做了系列基础性的试验研究，可为环槽铆钉在钢结构桥梁上的应用提供一定参考。为更全面系统地了解环槽铆钉对钢结构桥梁的整体性作用，后续将开展钢桥关键节点以及整体结构的模型试验。

参考文献

[1]黄维， 胡云鹏， 黄宝. 中国钢铁工业运行现状与展望[J]. 冶金经济与管理， 2018， 192（3）：22-25.

[2]张永忠. 桥梁钢结构高强度螺栓组连接设计[J]. 中国建筑金属结构， 2013， （12）：23-23.

[3]王元清， 张颖， 张俊光，等. 铝合金箱形-工字形盘式节点整体变形性能试验研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版， 2020， 353（5）：91-98.

[4]邓华， 陈伟刚， 白光波，等. 铝合金板件环槽铆钉搭接连接受剪性能试验研究[J]. 建筑结构学报， 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， 张颖， 张俊光， 等. 铝合金箱形-工字形盘式节点整体变形性能试验研究[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版， 2020， 53（5）： 527 ？ 534.

[7]胡昊. 桥梁钢结构高强度螺栓组连接设计[J]. 机械设计与制造， 2012（3）： 161-163.

[8]中交公路規化设计院有限公司. JTG D64-2015 公路钢结构桥梁设计规范[S]. 北京： 人民交通出版社， 2015.

[9]中国钢铁工业协会. GB/T 34478-2017 钢板栓接面抗滑移系数的测定[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

[基金项目]四川省交通科技项目（项目编号：2016B2-2、2012C14-2）

[作者简介]易志宏（1977～），男，硕士，高级工程师，主要从事桥梁结构研究。