梳齿型桥梁伸缩缝填充，环槽铆钉在公路桥梁中应用的试验研究

威哥 2023-02-14 01:26:28 540

梳齿型桥梁伸缩缝填充，环槽铆钉在公路桥梁中应用的试验研究环槽铆钉虽然具有多种的优势，但是在公路桥梁上鲜有使用，其主要原因包括以下几点：(1)公路桥梁通常采用高强螺栓通过拼接板进行群铆连接，但是环槽铆钉未有相关的施工安装指南或规范；(2)缺少环槽铆钉群铆构造相关的试验研究；(3)缺少工程使用案例。环槽铆钉以往通常应用于航空航天、铁路车辆、舰船等工程中，主要用在铝合金单层网壳节点体系中，该类节点连接适用于以薄膜内力(轴力)为主、剪力较小的单层网壳结构[2]。《铝合金结构设计规范》(GB 50429-2007)中并没有为环槽铆钉搭接连接的设计提供具体验算方法，欧洲和澳大利亚的铝合金结构规范对此连接也没有明确条文规定。文献中仅简单规定环槽铆钉应满足普通螺栓的相关技术要求，但没有给出具体的验算公式。环槽铆钉在铝合金板件间产生的摩擦力非常有限，因此铝合金板件环槽铆钉搭接连接属于承压型连接[3 4]。对于公路桥梁，由于板件厚度大，抗滑移系数高，其中的连接类型

环槽铆钉在公路桥梁中应用的试验研究

易志宏刘浪田波胡方年

四川省公路规划勘察设计研究院有限公司中车眉山车辆有限公司

摘要：环槽铆钉具有预紧力一致性好、防松动能力优异、抗疲劳和抗延迟断裂能力强等特点，是公路桥梁连接副的理想选择。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。针对公路桥梁连接副的特点，开展了环槽铆钉预紧力试验研究。试验结果表明，同型号环槽铆钉的预紧力值大于高强螺栓，且均匀性好；环槽铆钉可参照高强螺栓技术规程中的铆接顺序进行安装；温度变化对环槽铆钉预紧力的影响较小；公路桥梁钢结构常用板厚变化对于环槽预紧力的影响较小。

关键词：公路钢结构桥;环槽铆钉;群铆连接;预紧力;抗滑移系数;

1 研究背景

我国钢结构桥梁的紧固连接方式主要有热铆连接、普通螺栓连接和高强螺栓连接等。经过长年发展，现阶段的连接方式主要为高强螺栓连接和焊接。国内已建钢桥经过一定时期的应用，逐步出现因连接螺栓松动、脱落或锈蚀造成行车安全事故的问题[1] 行业痛点亟待解决。环槽铆钉连接利用虎克定律，采用专用铆接工具，轴向拉伸铆钉，同时径向挤压套环，使套环金属流动到铆钉的环槽中，形成永久的金属塑性变形连接。与螺栓连接相比，环槽铆钉具有以下优点：(1)一次安装到位，预紧力一致性好；(2)铆钉和套环通过锁紧槽紧密咬合，抗振防松性能优异；(3)环槽铆钉的牙型齿口采用多段圆弧结构设计，抗疲劳寿命长、抗延迟断裂能力强。两种连接方式的原理对此如图1所示。

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图1 螺栓连接与环槽铆钉连接原理对比

环槽铆钉以往通常应用于航空航天、铁路车辆、舰船等工程中，主要用在铝合金单层网壳节点体系中，该类节点连接适用于以薄膜内力(轴力)为主、剪力较小的单层网壳结构[2]。《铝合金结构设计规范》(GB 50429-2007)中并没有为环槽铆钉搭接连接的设计提供具体验算方法，欧洲和澳大利亚的铝合金结构规范对此连接也没有明确条文规定。文献中仅简单规定环槽铆钉应满足普通螺栓的相关技术要求，但没有给出具体的验算公式。环槽铆钉在铝合金板件间产生的摩擦力非常有限，因此铝合金板件环槽铆钉搭接连接属于承压型连接[3 4]。对于公路桥梁，由于板件厚度大，抗滑移系数高，其中的连接类型应属于摩擦型连接。因此，环槽铆钉在公路桥梁的以受弯、受剪为主的连接构件中的应用是一个全新的课题，开展相关的理论研究、试验研究和工程应用具有重要的意义。

2 工程概况

环槽铆钉虽然具有多种的优势，但是在公路桥梁上鲜有使用，其主要原因包括以下几点：(1)公路桥梁通常采用高强螺栓通过拼接板进行群铆连接，但是环槽铆钉未有相关的施工安装指南或规范；(2)缺少环槽铆钉群铆构造相关的试验研究；(3)缺少工程使用案例。

钢结构桥梁高强螺栓连接技术已经非常成熟。如果要推广环槽铆钉的使用范围，最优方案是不改变结构原有的连接形式，只是把高强螺栓替换为环槽铆钉。为此我们亟需解决的问题有以下几个：(1)同型号高强螺栓与环槽铆钉预紧力的差异；(2)同型号高强螺栓与环槽铆钉抗滑移系数的差异；(3)环槽铆钉安装工艺。上述研究涉及的内容较多，本文主要研究第一个问题。以环槽螺栓作为研究对象，其受力情况如图2所示[5]5]。

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图2 环槽铆钉受力分析

由∑X=0 建立平衡方程如式(1)所示。

P−(p1fcosα p1sinα)A=0 (1)Ρ-(p1fcosα p1sinα)A=0 (1)

式中：P为预紧力；α为齿口咬入角；f为齿口和铆套接触面的摩擦系数；A为铆套与齿口的接触面积。环槽铆钉铆杆的材质刚度远大于套环的刚度，因此可认为α、f、A的值是常数值。此时，预紧力主要由套环与铆杆接触面上的p1值决定，p1与铆套的塑性变形能力直接相关。因此，本文主要从以下几个方面研究环槽铆钉预紧力问题：(1)一次安装环槽铆钉预紧力随时间变化情况；(2)安装顺序对环槽铆钉群铆构造预紧力的影响；(3)环槽铆钉预紧力随温度变化情况。

3环槽铆钉预紧力试验

环槽铆钉与高强螺栓的安装方式有较大区别，环槽铆钉采用铆枪一次安装到位，而高强螺栓采用扭矩扳手分初拧、复拧、终拧进行安装。为比较两者的预紧力的差异，使用预紧力传感器测试M24高强度螺栓连接副型号及其对应的LMDSM-T24环槽铆钉连接副的预紧力值，如图3所示，比较二者的均值、预紧力波动情况。另外，为对比连接板厚度对于预紧力大小的影响，分别采用了板厚为8 mm(母板) 12 mm(拼接板) 8 mm(母板)MD-12试件和板厚为12 mm(母板) 18 mm(拼接板) 12 mm(母板)MD-18试件进行试验，试验结果见表1。

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图3 试验设备

表1 48 h后环槽铆钉预紧力结果

力值范围/kN	MD-12试件		MD-18试件		总体试件
力值范围/kN	数量	百分比/%	数量	百分比/%	数量	百分比/%
<270	3	1.11	1	0.37	4	0.74
[270 280]	75	27.78	100	37.04	175	32.41
[280 290]	141	52.22	124	45.93	265	49.07
[290 300]	46	17.04	44	16.30	90	16.67
>300	3	1.11	3	1.11	6	1.11

(1)各试件铆接完成48 h后，各环槽铆钉预紧力基本都均匀分布于270～ 290 kN。该区间内铆钉数量约占试验总铆钉数量的80% 该预紧力值大于同型号高强螺栓的预紧力标准值(250 kN) 满足预紧力设计要求。

(2)整个试件铆接过程中，各铆钉预紧力基本呈波动状态，但变化量小，介于5～15 kN 各铆钉力值变化量仅不足48 h稳定预紧力测值的5%。

(3)板厚为12 mm 18 mm 12 mm的MD-12试件，铆接过程中预紧力最大变化为12.1 kN 变化量为该铆钉初始预紧力的4.01%;板厚为8 mm 12 mm 8 mm的MD-18试件，铆接过程中预紧力最大变化为13.6 kN 变化量为该铆钉初始预紧力的4.60%。两者的初始预紧力变化值相对恒定，板厚对于预紧力变化量的影响较小。

4 铆接顺序的影响

采用《钢结构高强螺栓连接技术规程》[7]中规定的高强螺栓的安装顺序对环槽铆钉进行群铆连接，具体连接顺序如图4所示。分3组试件进行试验，采用压力传感器法和超声波应力检测两种方式对环槽铆钉预紧力进行监测，结果如图5和图6所示。其中，采用压力传感器对1号、1′号、2号、3号、3′号、4号、4′号、7号和7′号(中间列)环槽铆钉进行重点监测，采用超声波螺栓应力检测仪对其余铆钉进行监控。

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图4 铆接顺序示意

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图5 MD-18试件的铆钉预紧力随铆接进程的实测变化趋势

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图6 MD-12试件的铆钉预紧力随铆接进程的实测变化趋势

根据实测数据分析顺次铆接各铆钉后同一铆钉的预紧力值变化，可得出：(1)铆钉预紧力总体变化幅度在5%以内，预紧力整体呈增加趋势；(2)试验曲线前段变化较大，后段趋于稳定，说明铆接过程中对某一铆钉预紧力影响最大的是铆接其周边两排铆钉，铆接其周边两排以外的铆钉时基本不影响该铆钉预紧力；(3)MD-12与MD-18试件测试数据的规律基本一致，板厚对铆钉预紧力值影响较小。

5 环境温度对预紧力的影响

对单个试件依次测出在0℃、10℃、20℃、30℃、40℃和50℃温度下的预紧力，分析不同温度下环槽铆钉(高强螺栓)预紧力的变化情况。将环槽铆钉(高强螺栓)试件放入高低温试验箱中，如图7所示，待试验箱内温度达到设计温度并保持温度1 h后再进行预紧力测试。结果如图8～图11所示。

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图7 高低温试验箱

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图8 12 mm板厚1号试件的1号～8号环槽铆钉预紧力随温度变化曲线

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图9 18 mm板厚1号试件的1号～8号环槽铆钉预紧力随温度变化曲线

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图10 12 mm板厚1号试件的1号～8号高强螺栓预紧力随温度变化曲线

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图11 18 mm板厚1号试件的1号～8号高强螺栓预紧力随温度变化曲线

(1)0℃～50℃温度范围内，LMDSM-T24环槽铆钉和10.9S级M24高强度螺栓的预紧力均有变化，环槽铆钉预紧力变化为3.5～5.5 kN 高强度螺栓预紧力变化为6.3～11.7 kN 最大和最小(高强度螺栓/环槽铆钉)比值分别为1.80和2.13;(2)环槽铆钉0℃～50℃内的变化量为0℃～50℃内测值平均值的1.26%～1.91% 高强度螺栓0℃～50℃内的变化量为0℃～50℃内测值平均值的2.75%～4.78%;(3)高强度螺栓在0℃～50℃温度内的预紧力变化值比环槽铆钉预紧力变化值大，表明环槽铆钉在0℃～50℃温度内的预紧力值比高强度螺栓稳定。