引言
輸電鐵塔作為輸電線路的核心組成部分,其承載能力對于保障輸電線路的安全穩(wěn)定運行具有至關(guān)重要的作用[1]。當(dāng)前,輸電鐵塔塔身主要采用單根等邊角鋼或者組合角鋼連接而成,螺栓由于制造安裝方便被廣泛應(yīng)用于鐵塔構(gòu)件連接中,但螺栓連接在實踐應(yīng)用中也暴露出一些問題。由于螺栓連接的特性,其承載能力主要依賴于連接件的緊密配合,一旦出現(xiàn)松動或脫落,就會對鐵塔的承載能力產(chǎn)生影響。需要對這種連接方式進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。本文采用眉山中車緊固件科技有限公司研發(fā)的環(huán)槽鉚釘來代替螺栓來進(jìn)行部件間的連接。
環(huán)槽鉚釘又稱為哈克(Huck)螺栓,作為一種先進(jìn)的緊固件,最早被應(yīng)用于軍工領(lǐng)域,因其具有連接牢靠、抗振強、抗疲勞性、耐沖擊等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、橋梁工程、汽車、建筑結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域[2],為這些領(lǐng)域的工業(yè)制造和建設(shè)提供了強有力的支持。與普通螺栓的扭矩旋轉(zhuǎn)安裝方式不同,環(huán)槽鉚釘在安裝過程中,鐵砧將沿著軸向方向平穩(wěn)向下移動。在從開始接觸套環(huán)到鉚接完成的整個過程中,套環(huán)一直處于徑向被擠壓的狀態(tài)。這一過程中,套環(huán)內(nèi)壁的金屬被引導(dǎo)到鉚釘?shù)沫h(huán)槽中,與此同時,鉚釘也被軸向拉伸產(chǎn)生了軸向的力,使得套環(huán)與鉚釘螺紋之間形成塑性變形建立穩(wěn)定連接。

目前,國內(nèi)外關(guān)于鐵塔中環(huán)槽鉚釘連接研究相對較少,主要集中在鉚釘單釘性能的研究上。鄧華[3]等對由環(huán)槽鉚釘連接的鋁合金板件進(jìn)行了拉伸試驗檢驗鉚釘?shù)目辜粜阅埽治隽斯?jié)點的破壞模式及鉚釘孔徑、端距、邊距等相關(guān)參數(shù)對受剪承載力的影響。張欽[4]等基于 Deform 有限元分析與試驗驗證對環(huán)槽鉚釘?shù)膴A緊力、拉脫力、剪切力和疲勞性能進(jìn)行了驗證,表明環(huán)槽鉚釘?shù)脑O(shè)計能達(dá)到相關(guān)要求。易志宏[5]等對環(huán)槽鉚釘在公路橋梁中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究,并對其與傳統(tǒng)高強螺栓進(jìn)行了對比。文章通過雙摩擦面抗剪試驗和抗剪疲勞試驗,分析了環(huán)槽鉚釘?shù)男阅鼙憩F(xiàn),評估其在公路橋梁連接副中的適用性和可靠性。張?zhí)煨踇2]等對大量 M20 鉚釘從原材料性能、熱處理工藝、預(yù)緊力、鉚接順序等方面進(jìn)行了研究,揭示了其優(yōu)良的力學(xué)性能。Sun J P[6]等研究了高強鋁合金環(huán)槽鉚釘節(jié)點破壞模式、載荷位移曲線和其他力學(xué)性能。與螺栓連接相比,高強鋁合金環(huán)槽鉚釘連接具有良好的延性。Urban[7]對旋翼機機身結(jié)構(gòu)中常見的鉚釘連接進(jìn)行了靜態(tài)測試和三維有限元分析,來評估鉚釘?shù)妮d荷分布和局部應(yīng)力場。Repetto[8]利用有限元的分析對鉚釘?shù)你T接過程進(jìn)行了分析。Cheraghi[9]基于疲勞裂紋的產(chǎn)生對部件間的連接方式做了相關(guān)的研究。其中鉚接工藝的許多參數(shù)直接影響鉚釘?shù)馁|(zhì)量,包括擠壓力、鉚釘長度、鉚釘直徑和孔徑公差。這些參數(shù)的不正確組合與改變可能導(dǎo)致過大的殘余應(yīng)力,從而產(chǎn)生應(yīng)力集中點并引發(fā)裂紋。
針對于螺栓連接中的問題與理論改進(jìn)方法也有學(xué)者做出了相關(guān)研究,班慧勇[10]等提出了一種基于傳統(tǒng)高強度螺栓的新型單邊連接方式,對其應(yīng)變松弛及連接抗剪性能展開了試驗研究。結(jié)果顯示此種單邊連接螺栓應(yīng)變松弛較小,且松弛時間較短。該單邊連接構(gòu)造形式在施擰中的扭矩系數(shù)偏大,仍需要更進(jìn)一步的研究。韓騰飛[11]基于有限元分析建立的摩擦型高強螺栓連接的非線性有限元模型,通過試驗來驗證有限元模型的準(zhǔn)確性和適用性,分別建立了摩擦型高強螺栓連接在摩擦階段和滑移階段的荷載-位移曲線的簡化模型。用此模型來簡化節(jié)點的處理方式,來提高實際分析效率。劉榮陽[12]設(shè)計了 10.9 級高強螺栓在不同鋼材等級與不同孔徑下的抗剪試驗,并采用有限元的方式研究了螺栓孔型、預(yù)緊力損失程度以及抗滑移系數(shù) 3 個參數(shù)對連接抗剪性能的影響,得到了預(yù)緊力以及抗滑移系數(shù)對不同螺栓孔型連接的變化規(guī)律。張廣平[13]為研究能否將鉚釘連接應(yīng)用到光伏支架中,而對比分析了螺栓和拉鉚連接腐蝕前后抗剪性能。試驗結(jié)果表明:腐蝕環(huán)境下鉚釘連接的抗剪承載力下降程度比普通螺栓的小。相較于鉚釘套環(huán)與螺桿之間的緊密連接,螺栓的螺帽和螺桿間的存在縫隙,腐蝕物質(zhì)更容易對其產(chǎn)生侵蝕作用使得承載力大幅度下降。
由此可見關(guān)于螺栓連接的問題,不斷有學(xué)者在進(jìn)行研究與優(yōu)化。本文基于現(xiàn)有研究基礎(chǔ),提出用環(huán)槽鉚釘來代替普通螺栓對輸電鐵塔中的部件進(jìn)行連接。而輸電鐵塔中角鋼構(gòu)件的連接以螺栓和鉚釘受剪傳力為主,為研究環(huán)槽鉚釘?shù)目辜粜阅芤约半娏﹁F塔中環(huán)槽鉚釘代替螺栓的可行性,本文首先通過對環(huán)槽鉚釘單釘?shù)目估c抗剪性能進(jìn)行研究對比,再通過節(jié)點抗剪力學(xué)試驗的對比分析來說明環(huán)槽鉚釘在實際工程中的優(yōu)勢,為在電力鐵塔領(lǐng)域的推廣中提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料與試驗對比參照。
1、 單釘抗拉承載力與抗剪承載力試驗
1.1 材性試驗
本文節(jié)點試件所采用的是 Q355B 板材,參照規(guī)范《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試件取樣位置及試件制備》(GB/T2973-2018)[14]和《金屬材料室溫拉伸試驗:第一部分:室溫試驗方法》(GB/T228.1-2021)[15]在同批 Q355B 鋼板上參考圖 2 制作拉伸試件,在 SHT-4106 微機電液伺服萬能試驗機上進(jìn)行拉伸試驗。試件數(shù)目為 3。板材拉伸試驗結(jié)果如圖 3 所示,鋼材材性指標(biāo)見表 1。根據(jù)上表中材性試驗結(jié)果,得出材料的強屈比均大于 1.2,伸長率大于 20%,故所選板材材性滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)[16]對于試驗所用鋼材的要求。


本文試驗中采用的螺栓為 8.8 級普通粗牙六角頭螺栓,螺栓質(zhì)量合格,各項力學(xué)性能符合規(guī)范要求。本文采用的 8.8 級 M20 與 M16 規(guī)格的環(huán)槽鉚釘,根據(jù)相關(guān)規(guī)范材性試驗試件尺寸如圖 4,單軸拉伸試驗采用位移控制,分別測試材料的名義屈服強度、抗拉強度、彈性模量斷后伸長率列于表中。

試件拉斷后試驗結(jié)果如圖 5 所示,環(huán)槽鉚釘各試件材性試驗數(shù)據(jù)如表 2 所示。

1.2 試件概述
為對比環(huán)槽鉚釘與普通螺栓單釘?shù)目估c抗剪性能設(shè)計 8 組試件,共計 24 個試件。試驗在如圖6 所示的萬能試驗機上進(jìn)行,設(shè)備型號為 SHT4106,最大載荷可達(dá) 1000 kN。試驗分別采用 8.8 級M20、8.8 級 M16 的環(huán)槽鉚釘以及同規(guī)格普通螺栓,其中 M16 與 M20 螺栓的緊固扭矩分別為 80N·m和 120N·m。試驗采用位移加載,位移速率控制在 1.2 mm/min。試驗機程序記錄試驗過程中的荷載與位移,并計算出試件破壞時最大承載力。試件破壞模式如圖 7 所示,將每組試件的承載力取均值并記錄到表 4 中(組號 P 為抗拉試件組,Q 為抗剪試件組)。



1.3 試驗結(jié)果
由圖 7、表 4 可知,螺栓與環(huán)槽鉚釘?shù)钠茐哪J骄鶠闂U的剪切破壞。在抗拉試件中鉚釘?shù)钠茐哪J綖樘篆h(huán)拉脫破壞,螺栓的破壞模式為螺桿拉斷。這與鉚釘和螺栓各自的緊固方式相關(guān)。每種破壞沒有明顯預(yù)兆屬于脆性破壞。其中 M16 的環(huán)槽鉚釘抗剪能力是同規(guī)格螺栓的 1.12 倍,抗拉能力是螺栓的 1.10 倍。M20 環(huán)槽鉚釘?shù)目辜粜阅芨峭?guī)格螺栓的 1.47 倍,抗拉能力為螺栓的 1.18 倍。即同規(guī)格下環(huán)槽鉚釘?shù)膯吾斝阅軆?yōu)于普通螺栓,可用于鐵塔中各部件的連接。

2、 連接節(jié)點抗剪試驗
2.1 試件設(shè)計
輸電鐵塔中各角鋼部件采用螺栓連接,節(jié)點處的承載力與螺栓的抗剪強度相關(guān),為對比研究環(huán)槽鉚釘代替螺栓后鋼板連接中環(huán)槽鉚釘?shù)目辜粜阅?。本試驗設(shè)計四組連接試件,各組連接分別選用 M16和 M20 的螺栓和 M16 與 M20 的環(huán)槽鉚釘。每組試驗中包含 3 個相同試件,以保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為檢驗環(huán)槽鉚釘與螺栓的抗剪承載力,試驗中連接板與蓋板選用較厚的鋼板,以保證其在試驗中鋼板不會被拉斷,使得破壞發(fā)生在連接件處,以便研究連接件的破壞模式。其中每個試件中蓋板采用10mm 的鋼板,連接件選用 18mm 的鋼板,材質(zhì)為 Q355B。為滿足試驗機的加持需求,試件兩端預(yù)留120mm 的加持區(qū)域,并在加持區(qū)域做滾花處理。在端部設(shè)計豎直擋塊,以保證試驗過程中滑移只發(fā)生在節(jié)點連接處。所有鉚釘孔均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-20017)[16]的端邊距要求,端距55mm 間距取為 85mm。試件詳細(xì)參數(shù)見表 5。按圖 8 與圖 9 所示用螺栓、環(huán)槽鉚釘將試驗工裝連接拼裝到位,并根據(jù)《110~750kV 架空輸電線路施工及驗收規(guī)范》(GB/50233-2014)[17]規(guī)定使用數(shù)顯扭矩扳手對螺栓施加緊固扭矩,根據(jù)環(huán)槽鉚釘安裝方法使用鉚接工具、液壓泵站將環(huán)槽鉚釘安裝到位。


2.2 加載方案
試驗工裝組裝完成后,將節(jié)點試件夾持端連接到萬能試驗機上并施加預(yù)荷載。按照試驗規(guī)范對試件進(jìn)行預(yù)加載,以檢查各組試件的安裝情況,包括加載裝置是否偏心、連接件是否松動、整個試驗裝置是否可靠;按照《鋼板栓接面抗滑移系數(shù)的測定》(GB/T 34478)[18]試驗方法,使用 SHT-4106 微機控制電液伺服萬能試驗機對各組試件進(jìn)行加載。試驗采用位移控制的加載方式,加載速率與單釘試驗相同。當(dāng)試驗過程中出現(xiàn)以下現(xiàn)象時停止加載并緩慢卸載:1)試件斷裂(連接板或一端環(huán)槽鉚釘全部斷裂)斷裂;2)荷載位移曲線出現(xiàn)明顯下降段。在連接板側(cè)面的孔徑中軸位置畫線以便于觀察試驗中試件的滑移與變形情況。由試驗機自身程序記錄試驗過程中荷載和位移。實際加載過程如圖 10 所示。

3 、節(jié)點試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
3.1 節(jié)點試驗結(jié)果
分析試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn),各節(jié)點試件破壞過程和最終破壞模式相似(見圖 11),基本的現(xiàn)象為:試驗加載初期荷載較小時試件無明顯變化,隨荷載不斷增加,板件之間的摩阻力被克服,連接板與蓋板產(chǎn)生相對滑移,滑移距離大致與螺栓孔之間的間隙相當(dāng),而滑移先后順序與所施加的緊固扭矩大小有關(guān)。滑移結(jié)束后,螺栓和環(huán)槽鉚釘產(chǎn)生孔壁承壓,承載力穩(wěn)定上升,變形持續(xù)增大。隨著繼續(xù)加載,試件在峰值處一端的連接件突然被剪斷,荷載位移曲線下降明顯,試驗終止。連接節(jié)點破壞前除摩擦段的小滑移外無其他明顯預(yù)兆,并且發(fā)生破壞時伴隨著響聲,屬于脆性破壞。

試驗卸載后觀察板件螺栓孔附近的變形和鉚釘?shù)募羟星闆r。發(fā)現(xiàn)在試件 JQ1 與 JQ3(圖 12(a)、圖 12(c))中由于選用的板材厚度較厚,孔壁處的變形約束力強,使得螺栓孔并未發(fā)生明顯的變形。而在試件 JQ2 與 JQ4(圖 12(b)、圖 12(d))中由于連接件強度的提升而產(chǎn)生了一定程度的孔壁承壓變形。試驗最終均以螺栓和環(huán)槽鉚釘?shù)募魯喽K止,致使連接節(jié)點喪失承載力,螺栓和環(huán)槽鉚釘破壞位置均為其受剪截面處并有明顯的擠壓痕跡。由于螺栓和鉚釘破壞的先后順序以及孔邊擠壓變形使得蓋板在水平方向上產(chǎn)生了一定程度的翹曲。試驗抗剪試驗中的試件破壞模式都是螺栓和鉚釘?shù)募羟衅茐?,試驗結(jié)果與試驗預(yù)期相符。

3.2 試驗分析
各組試驗的位移荷載曲線見圖 13,結(jié)合試件的試驗現(xiàn)象與結(jié)果可以看出螺栓與鉚釘在加載初期荷載以板件之間的摩擦力進(jìn)行傳遞。隨著試驗力的增大,超過其臨界值后,板件之間都會產(chǎn)生一定程度的滑移,滑移距離與試件連接板的孔徑相關(guān)。M16 的螺栓與鉚釘組出現(xiàn)了兩次滑移的現(xiàn)象,即當(dāng)一側(cè)螺栓全部滑移后進(jìn)入承壓階段時,另一側(cè)的螺栓未發(fā)生滑移。而 M20 的螺栓與鉚釘組在滑移結(jié)束后直接進(jìn)入承壓階段。從試驗結(jié)果與最終承載力得出滑移時間與距離并不影響節(jié)點的最終承載力。
承壓階段初期:鉚釘與板件均處于彈性階段,位移荷載曲線保持線性。承壓端后期出現(xiàn)強化階段,M20 鉚釘?shù)奶貏e明顯。這也與試驗結(jié)果中 M20 組試件的連接板出現(xiàn)孔壁變形相對應(yīng)。最終試件承載力達(dá)到峰值,試件破壞。

總體而言:環(huán)槽鉚釘預(yù)緊力在板件間產(chǎn)生的摩擦力有限,主要以鉚釘本身的抗剪為主。由于預(yù)緊力的不同而產(chǎn)生不同的滑移情況不影響最終承載力與變形。在連接板強度、孔徑、間距和端距滿足要求的前提下,連接件承載能力以鉚釘和螺栓的抗剪能力為主要影響因素。
為更加直觀的對比螺栓與環(huán)槽鉚釘?shù)目辜裟芰?,以連接節(jié)點所受最大的承載力作為衡量指標(biāo),將各組螺栓和環(huán)槽鉚釘?shù)墓?jié)點承載能力做平均后用柱狀圖表示如下。

結(jié)合位移荷載曲線圖與承載能力對比圖可以得出:試件 JQ3 組的承載力約為試件 JQ1 的 1.22倍,試件 JQ4 組的承載力約為試件 JQ2 的 1.17 倍。且同規(guī)格下環(huán)槽鉚釘與螺栓的滑移距離相差不多。
4、經(jīng)濟(jì)可行性分析
在工業(yè)和建筑領(lǐng)域,環(huán)槽鉚釘和螺栓是兩種常用的緊固件,用于連接各種材料。然而,它們在應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)可行性因多種因素而異,包括材料成本、勞動力成本、耐久性、維護(hù)需求等。從全壽命周期成本的角度來看,環(huán)槽鉚釘和螺栓的對比需要考慮以下幾個因素:
初始成本:環(huán)槽鉚釘?shù)某跏汲杀就ǔ1嚷菟ǜ?,因為其制造過程更為復(fù)雜,且螺栓的市場需求量較大。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)環(huán)槽鉚釘?shù)牟少弮r在 0.5~3 元之間,螺栓在 0.3~2 元之間。隨著生產(chǎn)工藝與效率的提高可以進(jìn)一步降低環(huán)槽鉚釘?shù)某跏汲杀尽0惭b過程中雖然單個螺栓的安裝成本更低,但是對于需求量較大的結(jié)構(gòu)。環(huán)槽鉚釘因安裝時間較短節(jié)約人工成本使得整體性價比有所提升維護(hù)成本:環(huán)槽鉚釘具有較好的耐久性和抗疲勞性能,可以減少維護(hù)和更換的需求。
因此,在全壽命周期中,其維護(hù)成本比螺栓低。螺栓的維護(hù)成本相對較高,因為需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)或更換。安裝成本:由于環(huán)槽鉚釘需要專門的設(shè)備和技能進(jìn)行安裝,因此其安裝成本可能比螺栓高。螺栓的安裝成本相對較低,因為其安裝簡單、易用。安全性:環(huán)槽鉚釘和螺栓在安全性方面都有保障。然而,在某些特定應(yīng)用中,如航空和軌道交通等行業(yè),環(huán)槽鉚釘更受青睞,因為其連接性能更加穩(wěn)定和可靠。環(huán)境適應(yīng)性:環(huán)槽鉚釘和螺栓都具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。然而,在一些特殊環(huán)境中,如高溫、低溫、腐蝕等環(huán)境下,環(huán)槽鉚釘更具有優(yōu)勢,因為其耐久性和抗疲勞性能更好。通過計算可得一座使用 10 萬套 24mm 緊固件連接的鋼結(jié)構(gòu)橋梁在安全運行 30 年內(nèi)的總成本如下表所示:

就運行 30 年的總成本而言,環(huán)槽鉚釘連接成本遠(yuǎn)低于螺栓連接成本,約為螺栓連接的 46.6%。在運行 10 年時兩種連接方式的總成本一致;運行 30 年后高栓連接成本為環(huán)槽鉚釘連接成本的 2.1倍。
綜合考慮以上因素,從全壽命周期成本的角度來看,環(huán)槽鉚釘和螺栓的對比因應(yīng)用場合、使用壽命預(yù)期、維護(hù)需求等因素而異。在電力鐵塔領(lǐng)域環(huán)槽鉚釘代替螺栓連接是可行的,能夠提高連接處的抗剪性能,降低后期維護(hù)費用,產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
5、 結(jié)論
本文通過對環(huán)槽鉚釘與同規(guī)格下普通螺栓的單釘性能對比試驗與 12 個連接試件的抗剪試驗,分析了環(huán)槽鉚釘連接節(jié)點的抗剪性能與破壞機理,可以得出以下結(jié)論:
1)環(huán)槽鉚釘單釘?shù)目辜粜阅芘c抗拉性能優(yōu)于同規(guī)格的普通螺栓。兩者的剪切破壞模式都為釘桿剪斷。在抗拉試驗中,環(huán)槽鉚釘與螺栓的破壞模式不同,這與兩者的緊固方式有關(guān)。前者是套環(huán)拉脫而后者是螺桿拉斷。
2)在連接板的強度滿足要求的前提下,試件的破壞形式為螺栓和鉚釘剪切破壞。規(guī)范規(guī)定的端距與邊距能有效的防治板件的縱向撕裂破壞。
3)不同的滑移情況不影響連接件最終承載力與變形情況,且同規(guī)格下,鉚釘與螺栓的滑移距離相同但鉚釘?shù)目辜舫休d力優(yōu)于普通螺栓。
4)在節(jié)點連接件中,環(huán)槽鉚釘緊固力在板件間提供的摩擦力非常有限,整體受力主要以鉚釘?shù)某袎菏芗魹橹?,即?jié)點連接中環(huán)槽鉚釘?shù)倪B接與螺栓相同都屬于承壓型連接。
5)在此連接節(jié)點中,環(huán)槽鉚釘?shù)目辜粜阅軆?yōu)于螺栓,環(huán)槽鉚釘可以代替螺栓應(yīng)用于輸電鐵塔中,環(huán)槽鉚釘能夠提高鐵塔連接處的抗剪性能。
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[16] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) GB50017-2017[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2017.
[17] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 110~750KV 架空輸電線路施工及驗收規(guī)范. GB/50233-2014[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.
[18] 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會. 鋼板栓接面抗滑移系數(shù)的測定 GB/T34478[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2017.
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