浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(4): 855-864 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.04.017

土木工程、交通工程

环槽铆钉群铆效应及铆后预紧力松弛试验研究

刘震北,, 王海磊, 董伟东, 李亮, 王琨, 刘永健,, 刘紫豪

1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

2. 广东省公路建设有限公司，广东 广州 510030

3. 广东湾区交通建设投资有限公司，广东 广州 511462

4. 中交公路规划设计院有限公司，北京 100010

5. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045

Experimental study on group riveting effect and post-rivet preload relaxation of ring groove rivet

LIU Zhenbei,, WANG Hailei, DONG Weidong, LI Liang, WANG Kun, LIU Yongjian,, LIU Zihao

1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China

2. Guangdong Provincial Highway Construction Co. Ltd, Guangzhou 510030, China

3. Guangdong Bay Area Transportation Construction Investment Co. Ltd, Guangzhou 511462, China

4. CCCC Highway Consultants Co. Ltd, Beijing 100010, China

5. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China

通讯作者: 刘永健，男，教授. orcid.org/0000-0002-3055-3795. E-mail：liuyongjian@chd.edu.cn

收稿日期: 2025-06-5  

基金资助: 广东省交通集团重点研发项目（JT2023ZD01-01）.

Received: 2025-06-5  

Fund supported: 广东省交通集团重点研发项目（JT2023ZD01-01）.

作者简介 About authors

刘震北（1998―），男，博士生，从事钢结构桥梁研究.orcid.org/0009-0009-2718-8190.E-mail：damienliu@163.com , E-mail：damienliu@163.com

摘要

预紧力作为连接中抵抗外部荷载的关键因素，其大小直接影响连接的刚度和疲劳寿命. 以狮子洋大桥−一座大跨径钢桁梁悬索桥为依托工程，针对传统螺栓连接在荷载作用下易松动问题，研究短尾环槽铆钉群铆效应及铆后预紧力松弛行为. 开展弦杆环槽铆钉足尺模型试验，探究环槽铆钉的预紧力分布、施铆顺序对预紧力的影响以及施铆后预紧力松弛规律. 研究结果表明：环槽铆钉的预紧力呈正态分布于310~350 kN范围内，显著高于同型号高强螺栓的设计值，且满足规范要求. 施铆过程会导致预紧力产生衰减，由群铆中心向四周交叉施铆的顺序具有更小的预紧力衰减程度，此时群铆中心区域的铆钉受影响最大. 在1600 h的监测期内，预紧力平均衰减2.57%，松弛后仍满足设计要求. 施拧过程造成的预紧力损失比铆钉松弛造成的预紧力损失更为显著.

关键词： 钢桁梁 ; 环槽铆钉 ; 足尺模型试验 ; 预紧力 ; 施拧顺序

Abstract

The pre-tightening force is the key factor to resist external load in a connection, and its magnitude directly affects the stiffness and fatigue life of the connection. The Shiyang Bridge, a long-span steel truss suspension bridge, was taken as the support project. Aiming at the problem that the traditional bolt connections were prone to loosening under load, the group riveting effect of short-tailed ring groove rivets and the preload relaxation behavior after riveting were studied. Through a full-scale model test of chord ring groove rivets, the distribution of preload, the influence of riveting sequence on preload, and the law of preload relaxation after riveting were systematically investigated. The results showed that the pre-tightening force of the ring groove rivet was normally distributed in the range of 310~350 kN, which was significantly higher than the design value of high-strength bolts of the same type, and met the specification requirements. The riveting process can cause pre-tightening force attenuation. The sequence of cross-riveting from the center of the rivet cluster to the periphery resulted in a smaller degree of pre-tightening force attenuation. The rivets in the center area of the group riveting were most affected. During the 1600 hours monitoring period, the preload attenuated by an average of 2.57%, which still met the design requirements after relaxation. The preload loss caused by the riveting process was more significant than that caused by rivet relaxation.

Keywords： steel truss beam ; ring groove rivet ; full-scale model test ; pre-tightening force ; riveting sequence

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本文引用格式

刘震北, 王海磊, 董伟东, 李亮, 王琨, 刘永健, 刘紫豪. 环槽铆钉群铆效应及铆后预紧力松弛试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(4): 855-864 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.04.017

LIU Zhenbei, WANG Hailei, DONG Weidong, LI Liang, WANG Kun, LIU Yongjian, LIU Zihao. Experimental study on group riveting effect and post-rivet preload relaxation of ring groove rivet. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(4): 855-864 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.04.017

在现代桥梁工程中，螺栓连接作为传统的机械连接方式，因其高可靠性、良好的抗疲劳性能以及易于施工等优点，仍然被广泛应用于钢结构桥梁中[1]. 但随着建筑、桥梁、船舶制造等领域对结构安全性、耐久性和轻量化要求的不断提高，传统的螺栓连接方式在某些应用中暴露出不足，如易受振动松动、疲劳性能有限以及延迟断裂等问题[2-4]. 为了解决上述问题，环槽铆钉应运而生. 其由铆钉和套环组成，通过专用铆接工具，在轴向拉伸铆钉的同时径向挤压套环，使套环内径金属流动到铆钉的环槽中，形成近似永久的金属塑性变形连接[5-6]. 环槽铆钉，以其卓越的连接强度、防松性能、疲劳性能和快速的安装速度等优点，相较于目前应用广泛的高强度螺栓，具备更为突出的优势[7-9].

钢结构连接件的力学性能主要取决于预紧力大小及其在长期服役中的稳定性. 预紧力作为连接中抵抗外部荷载的关键因素，其大小直接影响连接的刚度和疲劳寿命. 在实际工程中，由于材料特性、环境因素以及施工工艺的影响，连接件预紧力往往会在服役过程中发生松弛，导致连接性能的下降. 特别是在桥梁这种长期承受动荷载的结构中，预紧力松弛现象更为显著，可能引发连接失效，甚至危及桥梁的整体安全[10-11].

近年来，国内外学者对钢结构连接件的力学性能进行了广泛研究. 早期研究主要集中在静力学性能和疲劳性能方面，通过实验和数值模拟分析铆钉在不同荷载条件下的应力分布和失效模式. 已有学者针对高强度短尾环槽铆钉，开展了一系列单钉抗拉、抗剪以及拉-剪耦合静力试验，并在此基础上提出了相应承载力设计方法[8,12-13]. Wang等[14-15]通过试验和有限元相结合的方法，探究了铝合金短尾环槽铆钉T型连接件力学性能. 该学者同时开展了高温下环槽铆钉抗剪和抗拉试验，探究其在高温下的力学性能和破坏模式[16]. 随着研究的深入，学者们逐渐认识到预紧力是影响钢结构连接性能的关键因素之一[17]. 此外，铆接工艺参数，如铆钉材料、铆接速度以及铆接力大小等，也被证明对预紧力的初始分布和松弛行为有重要影响[18-20]. 然而，现有研究多集中于单颗铆钉的预紧力松弛行为，对于铆钉群的预紧力松弛特性及其与单颗铆钉的差异研究较少.

本研究以钢结构桥梁短尾环槽铆钉为研究对象，系统研究环槽铆钉的铆接工艺及其预紧力松弛行为. 以狮子洋大桥−一座大跨径钢桁梁悬索桥为依托工程，参考《狮子洋通道工程勘察设计A2-1合同段-两阶段初步设计-狮子洋大桥》（中交公路规划设计院有限公司）设计图纸[21-22]，设计弦杆环槽铆钉足尺模型试验，探究环槽铆钉铆后预紧力分布以及施铆顺序对铆钉预紧力影响. 通过长期松弛试验，研究环槽铆钉在服役过程中的预紧力变化规律，期望能够为桥梁环槽铆钉连接设计提供更为科学和可靠的理论支持，提高桥梁结构的安全性和耐久性.

1. 环槽铆钉连接副工作原理

环槽铆钉连接副是基于机械锁紧和摩擦力协同作用的连接，其核心通过独特的几何构型与受力机制，优化传统铆钉的传力路径与紧固效能，尤其适应桥梁工程中动态荷载、环境腐蚀及长期疲劳等苛刻工况的要求. 环槽铆钉连接副通常由一根环槽铆钉杆（后简称为钉杆）和一个匹配的套环组成. 钉杆通常由优质碳素钢或其他高强度材料制成，表面经过镀锌、镀镍处理，以提高其耐腐蚀性. 套环作为环槽铆钉的另一个重要组成部分，通常由低碳钢或不锈钢制成. 在安装过程中，首先将钉杆插入待连接件的预制孔中，然后将套环套在钉杆的尾部. 使用专用的安装工具对钉杆施加轴向拉力，使套环在钉杆尾部逐渐变形并紧密贴合. 随着拉力的持续增加，套环材料被挤压进入钉杆尾部的环形凹槽中，形成一种机械锁紧结构，如图1所示. 这种安装原理和构造不仅使套环与钉杆之间紧密结合，还通过套环的变形产生径向膨胀力，进一步压紧连接件之间的接触面，从而形成强大的摩擦力.

图 1

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图 1   环槽铆钉安装原理图示

Fig.1   Illustration of installation principle of ring groove rivets


机械锁紧和摩擦力的共同作用使得环槽铆钉连接副能够承受较大的剪切力和拉伸力，确保连接的可靠性和稳定性. 与高强螺栓的螺旋形牙型结构不同，环槽铆钉的牙型为独立的环槽结构，两者剖面如图2所示. 当安装完成后套环金属被挤压到每一扣独立环槽中，从而形成永久的金属塑性变形连接，所以在承受载荷不超过铆钉的极限荷载情况的各种震动工况下，在被连接件不发生结构变形的前提下铆钉不会发生松动、脱落问题.

图 2

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图 2   环槽铆钉和高强螺栓剖面示意图

Fig.2   Profile diagram of ring groove rivet and high strength bolt


综上，环槽铆钉的工作原理基于其独特的结构设计和安装方法，使其能够在连接过程中提供高预紧力、良好的防松动能力和耐久性以及较高的抗疲劳性能.

2. 试验概况

2.1. 工程概况

本研究以狮子洋大桥为依托工程，大桥采用主跨为2180 m的双层16车道的单跨钢桁梁悬索桥，并采用密横梁体系桥面布置. 狮子洋大桥加劲梁采用板桁结合的桁架梁体系，加劲梁主桁架采用华伦式桁架（V 型），桁高为13.5 m，标准节段长为32 m，标准节段立面布置如图3所示. 依托工程钢桁梁桥拟采用上层板式横梁，下层封闭箱式结构. 上层设置一道中纵梁协同横梁受力，下层不设中纵梁，设置桥面底板形成箱式结构. 加劲梁上下层横梁位于同一横断面，断面如图4所示.

图 3

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图 3   标准节段立面布置

Fig.3   Standard segmental elevation arrangement


图 4

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图 4   加劲梁横断面布置

Fig.4   Cross-sectional configuration of stiffening girder


为了避免桥上高强螺栓因腐蚀和振动造成的螺栓松动、断裂对桥梁安全产生严重影响，加劲梁节段之间在弦杆特定位置处采用短尾环槽铆钉代替高强螺栓进行连接.

2.2. 试件设计

环槽铆钉在实际桥梁工程应用中处于起步阶段，环槽铆钉的力学性能、防松性能、抗腐蚀性能及抗疲劳性能等已有部分学者进行了相关试验研究[23-25]. 为了进一步验证钢结构桥梁拼接构造群铆效应下轴力稳定性，选取依托工程钢桁梁标准节段为参考设计弦杆环槽铆钉足尺模型试件，开展环槽铆钉的施铆过程以及铆后预紧力监测试验.

试验模型由2根与依托工程钢桁梁桥相同截面尺寸的弦杆组成，弦杆截面尺寸为1753 mm×1500 mm，弦杆足尺模型立面布置和试件照片如图5、6所示. 钢板材质为Q420D，腹板板厚为28 mm，顶底板板厚为24 mm，拼接板板厚为20 mm. 单侧弦杆长度为4500 mm，试件通过4个拼接区域共480颗环槽铆钉进行连接. 弦杆腹板环槽铆钉群采用14行10列布置，行间距为110 mm，列间距为90 mm；顶底板环槽铆钉采用12行10列布置，行间距为90 mm，列间距为90 mm，如图7所示. 试验所采用环槽铆钉均为10.9级短尾环槽铆钉，型号为LMDSM-T27，钉杆材质为ML40CrMo，预紧力设计值为315 kN[26]，铆孔直径为30 mm.

图 5

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图 5   弦杆足尺模型试验试件构造

Fig.5   Specimen construction of chord full scale model test


图 6

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图 6   足尺模型试验试件照片

Fig.6   Specimen photo of full scale model test


图 7

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图 7   环槽铆钉布置形式

Fig.7   Ring groove rivet layout


2.3. 测试步骤

参考《钢结构高强度环槽铆钉连接技术规程》（T CECS 1552—2004）[26]（下文统称《技术规程》）中对环槽铆钉群铆安装顺序的规定，拟定2种不同的安装测试工况，包括：1）施铆顺序Ⅰ，由环槽铆钉群中心向外侧边缘交叉施铆；2）施铆顺序Ⅱ，由环槽铆钉群外侧边缘向中心交叉施铆，具体顺序如图8、9所示. 其中，圆圈内数字即代表铆钉施铆顺序. 施铆顺序Ⅰ为箱型截面规范建议施铆顺序，施铆顺序Ⅱ为对比施铆顺序. 试验过程中首先按照铆接顺序Ⅱ对弦杆足尺模型试件两侧腹板先后进行铆接工作. 铆接完成后拆除全部铆钉群，对弦杆和拼接板重新进行摩擦面及涂装处理，再按照铆接顺序Ⅰ对腹板和顶底板进行施铆.

图 8

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图 8   试件腹板施拧顺序

Fig.8   Construction sequence of specimen web


图 9

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图 9   试件顶底板施拧顺序（施铆顺序Ⅰ）

Fig.9   Construction sequence of top and bottom plates (Riveting sequence I)


在铆钉安装前，顶板、底板、两侧腹板必须使用不少于20%的普通螺栓+不少于10%的冲钉进行杆件临时拼装，确保拼接板与母板之间的密贴，如图10所示. 依托工程采用整体式节点，考虑依托工程钢桁梁拼接节点实际施工需求，按重要性递减原则确定施铆顺序. 优先对外侧整体式节点板进行安装，最后安装面积较小的顶底板，即按“外侧腹板FA—内侧腹板FB—底板T—顶板B”的顺序施铆.

图 10

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图 10   临时拼装措施

Fig.10   Temporary assembly measures


2.4. 测点布置

环槽铆钉预紧力采用2种方式进行检测，分别为压力传感器法和应变片法. 应变片法具体是在环槽铆钉钉杆黏贴应变片. 为了保证应变片黏贴牢固，对环槽铆钉铆杆进行加工，在铆杆两侧钉帽附近切削出2个矩形区域便于黏贴应变片. 本研究将经过上述处理过的环槽铆钉称为测力铆钉，未经处理的称为非测力铆钉. 每根测力铆钉沿长度方向对称布置2个单向应变片，取两者平均值作为铆杆的平均应变，环槽铆钉钉杆弹性模量近似为E0=2.0×106 MPa[13]. 为了确保应变片法测量数据的准确性和真实性，部分环槽铆钉采用穿心式压力传感器直接测量铆钉预紧力变化. 环槽铆钉预紧力测试方法与设备如图11所示.

图 11

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图 11   环槽铆钉预紧力测量设备

Fig.11   Ring groove rivet pre-load measuring equipment


以群铆中心点为原点，建立坐标系，划分1、2、3、4共计4个象限，每4个铆钉实现对称施铆. 每个试验面第3象限以及群铆中心环槽铆钉采用测力铆钉，并在对角象限（第1象限）分散安装压力传感器对测力铆钉数据进行验证. 单侧腹板拼接区域共计128颗铆钉，其中35颗采用测力铆钉，5颗安装压力传感器；单侧顶底板拼接区域共计112颗铆钉，其中31颗采用测力铆钉，5颗安装压力传感器. 弦杆足尺模型试件铆钉测点布置如图12所示.

图 12

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图 12   环槽铆钉测点布置

Fig.12   Test point arrangement of ring groove rivet


3. 试验结果与分析

3.1. 环槽铆钉预紧力

共统计整理狮子洋大桥弦杆环槽铆钉足尺模型试件2次铆接共计6个测试平面的铆钉预紧力，施铆前通过普通螺栓消除被拼接面间隙以保证环槽铆钉预紧力一致性. 环槽铆钉施铆时典型预紧力历程曲线如图13所示. 其中，$ {P}' $为施铆时环槽铆钉峰值预紧力，$ {P}_{0} $为初始预紧力. 可以看出，铆钉施铆时存在预紧力值急剧升高，然后回退至一定值的现象，既有规范以稳定后的预紧力作为铆钉预紧力设计值.

图 13

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图 13   环槽铆钉施铆预紧力历程曲线

Fig.13   Curve of pre-load process of ring groove rivet


受篇幅限制，如表1所示给出了足尺模型试验试件腹板测试区域FA环槽铆钉预紧力统计，如图14所示给出了足尺模型试验测力铆钉预紧力分布. 其中，r1为环槽铆钉施铆过程中的过铆量，取峰值和铆后预紧力之差；Member为位于各预紧力区间的环槽铆钉个数. 依托工程钢桁梁弦杆足尺模型试验试件各拼接区域铆接完成后，环槽铆钉预紧力基本呈正态分布于310~350 kN. 其中，腹板铆钉预紧力平均值为338.4 kN，变异系数为0.019；顶底板铆钉预紧力平均值为342.0 kN，变异系数为0.031. 结果表明实测环槽铆钉预紧力平均值大于同型号高强螺栓的预紧力设计值（315 kN），且满足《技术规程》对该型号铆钉预紧力值设计要求. 施铆过程中，腹板铆钉峰值预紧力平均值为440.8 kN，变异系数为0.033；顶底板铆钉峰值预紧力平均值为443.0 kN，变异系数为0.016. 结果表明环槽铆钉的峰值预紧力平均值超过铆后预紧力29.91%，但最大动态预紧力不大于95%环槽铆钉公称屈服强度对应的轴向力.

表 1   环槽铆钉预紧力监测结果

Tab.1  Monitoring results of preload of ring groove rivet

铆钉编号P'/kNP0/kNr1/%铆钉编号P'/kNP0/kNr1/%
FA1439.1340.329.02FA77439.2335.330.99
FA5423.4339.224.84FA81431.4331.730.07
FA9449.4366.222.74FA89434.2328.032.38
FA13437.4332.131.69FA93434.4339.028.13
FA17434.8346.325.55FA95442.5341.429.60
FA21428.4337.227.03FA97436.9332.331.49
FA25346.4337.22.72FA101457.8330.538.53
FA29439.3339.929.27FA105429.9345.424.49
FA33438.7329.133.31FA109433.3338.228.11
FA37434.9338.028.68FA113447.5324.537.90
FA41420.9329.927.60FA117431.5336.228.36
FA45437.0336.429.90FA121434.8330.231.68
FA49431.0325.932.27FA125458.7345.032.96
FA53438.2338.229.57FA126434.7346.125.57
FA57430.8332.929.39FA127439.1340.828.85
FA61433.2337.128.51FA128422.9343.922.95
FA65430.2349.423.12平均值433.5337.628.47
FA69433.7333.230.13标准差16.947.73—
FA73438.6340.128.97变异系数0.0390.023—

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图 14

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图 14   环槽铆钉预紧力分布

Fig.14   Preload distribution of ring groove rivet


3.2. 铆接顺序对预紧力影响

群铆中的铆钉工作状态不同于单个孤立的铆钉，该状态下群铆效应指多个铆钉聚集的铆接区域内，对某个铆钉施铆会导致铆接区域内其余铆钉位置处板件间隙发生细微变化，从而造成预紧力在整个施铆过程中发生波动的现象. 群铆效应通常导致环槽铆钉预紧力降低. 为了解群铆效应对环槽铆钉连接预紧力的影响，开展群铆顺序试验. 参照《技术规程》对铆接顺序的规定，依次铆接环槽铆钉并对已铆接铆钉进行预紧力测试并整理，根据测试结果分析铆接顺序对环槽铆钉预紧力的影响. 如表2、3所示为铆接顺序试验结果，在此仅给出弦杆测试区域FA和底板测试区域B测力铆钉在对应铆接过程中预紧力变化，其余区域测试结果与测试区域FA测试结果规律相似.

表 2   施铆顺序对测试区域CA预紧力影响（铆接顺序Ⅱ）

Tab.2  Effect of riveting sequence on CA preload in test area (Riveting sequence Ⅱ)

铆钉编号P0/ kNP1/ kNΔP1/ kNrs/%铆钉编号P0/ kNP1/ kNΔP1/ kNrs/%
FA1340.3331.48.92.63FA77335.3322.113.23.95
FA5339.2329.39.92.91FA81331.7319.712.03.62
FA9366.2347.019.25.23FA89328.0317.011.03.35
FA13332.1315.916.24.88FA93339.0323.615.54.57
FA17346.3320.914.94.30FA95341.4330.810.73.13
FA21337.2331.614.74.35FA97332.3320.711.63.48
FA25337.2318.818.55.47FA101330.5318.711.83.56
FA29339.9323.716.24.76FA105345.4334.810.63.06
FA33329.1311.417.75.38FA109338.2328.59.72.86
FA37338.0317.920.15.94FA113324.5315.59.12.80
FA41329.9311.618.35.54FA117336.2326.79.52.81
FA45336.4321.514.84.41FA121330.2322.47.92.38
FA49325.9309.716.24.96FA125345.0338.96.21.78
FA53338.2324.813.43.96FA126346.1340.16.01.73
FA57332.9316.516.44.93FA127340.8333.67.22.10
FA61337.1320.616.54.91FA128343.9———
FA65349.4335.014.44.13平均值337.6324.413.03.84
FA69333.2322.111.23.35标准差7.737.733.78—
FA73340.1328.211.93.49变异系数0.0230.0230.292—

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表 3   施铆顺序对测试区域CA预紧力影响（铆接顺序Ⅰ）

Tab.3  Effect of riveting sequence on CA preload in test area (Riveting sequence Ⅰ)

铆钉编号P0/ kNP1/ kNΔP1/ kNrs/%铆钉编号P0/ kNP1/ kNΔP1/ kNrs/%
FA1332.7324.68.12.44FA65349.1339.39.82.81
FA2342.8334.18.62.52FA69339.2331.77.52.20
FA3336.1330.65.41.61FA73337.4331.26.21.83
FA4340.9335.85.11.51FA77344.3335.58.92.58
FA5339.1329.89.32.75FA81338.2327.111.13.27
FA9328.7320.18.62.62FA85342.7334.97.82.27
FA13338.7329.09.72.87FA89345.3336.78.62.48
FA17333.2323.49.92.96FA93339.4330.58.92.63
FA21340.9327.213.64.00FA97336.0332.14.01.18
FA25339.3329.49.92.92FA101338.4329.49.02.65
FA29336.1324.112.03.58FA105346.5329.716.84.85
FA33335.4322.712.73.79FA109346.5333.812.73.66
FA37335.4328.27.22.15FA113336.8328.48.52.51
FA41339.0330.78.42.46FA117343.3335.97.42.15
FA45335.4325.410.02.98FA121335.2327.97.32.19
FA49337.4329.97.42.21FA125329.7324.74.91.50
FA53338.9332.06.92.03平均值339.2330.38.92.62
FA57339.0328.110.93.22标准差5.145.02——
FA61354.2345.68.52.41变异系数0.0150.015——

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由表3可知，整个试件铆接过程中，各铆钉预紧力基本呈现波动降低的状态. 将测试区域环槽铆钉全部施铆后的预紧力称为铆后预紧力$ {P}_{1} $，rs为施铆顺序导致的预紧力衰减（ΔP1=P1−P0）占铆后预紧力之比. 测试结果表明，铆后预紧力$ {P}_{1} $基本均小于初始预紧力$ {P}_{0} $. 对于按铆接顺序Ⅰ，即由四周向群铆中心施铆的腹板FA和FB，初始预紧力$ {P}_{0} $平均值为339.10 kN，变异系数为0.031；铆后预紧力$ {P}_{1} $平均值为326.15 kN，变异系数为0.040. 对于按铆接顺序Ⅱ，即由四周向群铆中心施铆的腹板FA和FB，初始预紧力$ {P}_{0} $平均值为341.45 kN，变异系数为0.017；铆后预紧力$ {P}_{1} $平均值为335.95 kN，变异系数为0.019.

上述结果表明，施拧过程减小了弦杆环槽铆钉整体的预紧力水平，且各铆钉预紧力水平略有发散趋势. 其中腹板按铆接顺序Ⅰ施铆导致的铆钉预紧力衰减量（2.62%）小于按铆接顺序Ⅱ施铆的衰减量（3.84%）. 上述结果表明：1）2种施铆顺序导致环槽铆钉预紧力衰减量均小于同型号高强螺栓在施拧时的预紧力损失[27]. 2）施铆顺序Ⅰ产生的预紧力衰减更小，为更合理的钢结构拼接构造下环槽铆钉施铆顺序. 3）采用铆接顺序Ⅰ进行施铆时，腹板施铆时导致的对侧腹板和相邻侧顶底板铆钉预紧力衰减值占铆后预紧力0.73%，表明施铆顺序导致箱型截面弦杆相邻侧铆钉预紧力降低程度较小，可以忽略. 4）采用铆接顺序Ⅰ进行施铆时，先行施铆的群铆中心铆钉（腹板FA1~FA4、顶板T1~T4、底板B1~B4）受其他铆钉施铆导致的预紧力衰减幅度平均可达3.76%；而较晚施铆的角部螺栓则受影响较小，甚至个别出现预紧力上升的情况.

3.3. 铆后预紧力松弛监测试验

为了探究钢结构桥梁短尾环槽铆钉在铆接成型后的预紧力松弛情况，对弦杆足尺模型试验试件各拼接区域环槽铆钉进行铆后预紧力松弛监测. 试验采用常州艾利逊科技有限公司生产电阻式压力传感器（规格型号为F32F-N27，额定量程为500 kN，温度补偿范围为−20~80 ℃）对环槽铆钉预紧力进行测量并使用计算机进行记录. 监测时间共计67 d，1608 h. 测量频率为2次/h，共计3216组数据. 监测得到腹板和顶底板环槽铆钉预紧力松弛结果如表4和图15所示. 其中，P为各拼接区域环槽铆钉预紧力平均值，t为时间.

表 4   预紧力松弛结果

Tab.4  Preload relaxation results

铆钉编号P1/ kNPa/ kNΔPa/ kNra/%铆钉编号P1/ kNPa/ kNΔPa/ kNra/%
FA14349.9327.722.26.34T14337.5328.29.32.76
FA58355.4349.75.71.60T66343.1332.610.53.06
FA106350.7345.75.01.43T74338.2326.611.63.43
FA110348.8343.55.31.52T98329.0311.317.75.38
FA126348.9343.95.01.43T110316.4309.56.92.18
FB3353.3347.85.51.56B14339.4331.38.12.39
FB19344.2339.44.81.39B66337.0334.03.00.89
FB23342.2337.15.11.49B74339.8331.58.32.44
FB71331.1326.05.11.54B98361.4337.923.56.50
FB115351.2345.65.61.59B110343.1335.08.12.36

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图 15

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图 15   各测试区域环槽铆钉平均预紧力松弛结果

Fig.15   Relaxation results of average preload force of ring groove rivet in each test area


测试时间内环槽铆钉预紧力呈波浪式下降趋势. 将测试区域环槽铆钉预紧力松弛检测试验结束时刻的预紧力称为终时预紧力$ {P}_{\mathrm{a}} $，ra为铆后预紧力松弛检测试验结束时刻预紧力衰减（ΔPa=Pa−P1）占铆后预紧力之比. 环槽铆钉铆后预紧力平均值为343.03 kN，变异系数为0.0292；终时预紧力为334.22 kN，变异系数为0.0319. 预紧力平均衰减8.81 kN，约占总预紧力的2.57%. 上述结果表明，所测试环槽铆钉测试时间自然松弛幅度较小，且松弛后预紧力仍满足钢结构环槽铆钉连接副预紧力设计值要求. 结合第3.2节可知，对于多螺栓接头，施拧过程造成的预紧力损失比铆钉松弛造成的预紧力损失更为显著. 铆钉编号FA/FB为腹板环槽铆钉，编号T/B为顶底板环槽铆钉，后者预紧力损失大于前者.

由测试结果可知，依托工程钢桁梁的弦杆足尺模型环槽铆钉铆后预紧力并非线性松弛，近似分为快速松弛阶段（0~100 h）和平稳阶段（超过100 h）. 初期快速松弛阶段预紧力损失约占总损失的60%，主要源于微观接触面塑性变形与局部材料蠕变；稳定阶段损失速率下降，此时宏观结构变形基本完成.

4. 结　论

通过开展依托工程狮子洋大桥钢桁梁悬索桥弦杆环槽铆钉足尺模型试验，对环槽铆钉施拧时和施拧后预紧力衰减规律进行研究，分析不同施拧顺序对铆钉预紧力的影响，得到以下结论.

（1）弦杆足尺模型试件完全铆接完成后，各拼接面铆钉预紧力值基本呈正态分布于310~350 kN范围内. 试验所测环槽铆钉预紧力大于同型号高强螺栓预紧力设计值，且满足既有规范对LMDSM-T27环槽铆钉预紧力设计值的要求.

（2）铆钉施铆时存在预紧力值急剧升高，然后回退至一定值的现象，试验所测环槽铆钉的峰值预紧力平均超过铆后预紧力的29.91%，但最大动态预紧力不大于95%环槽铆钉公称屈服强度对应的轴向力.

（3）施拧过程减小了弦杆环槽铆钉整体的预紧力水平，且各铆钉预紧力水平略有发散趋势. 采用由群铆中心向环槽铆钉群边缘交叉施铆的施拧顺序可以降低环槽铆钉预紧力损失，为最合理的箱型截面施拧顺序.

（4）测试区域环槽铆钉在铆后1600 h内预紧力呈现非线性降低的现象，预紧力平均衰减8.81 kN，约占总预紧力的2.57%. 试验所测环槽铆钉经过长时间自然松弛后预紧力仍满足钢结构环槽铆钉连接副预紧力设计值要求.

（5）本研究通过足尺模型试验和松弛监测验证了环槽铆钉预紧力在施铆过程和铆后的稳定性和可靠性. 环槽铆钉群静力性能以及受到长期振动荷载之后的预紧力损伤规律亟待研究，以推动环槽铆钉连接在桥梁领域的大规模应用.

参考文献

JASPART J P

General report: session on connections

[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2000, 55 (1/2/3): 69- 89

[本文引用: 1]

MOTALEB M, LINDQUIST W, IBRAHIM A, et al

Repair assessment for distortion-induced fatigue cracks in a seismically retrofitted double-deck bridge complex

[J]. Engineering Structures, 2019, 183: 124- 134

DOI:10.1016/j.engstruct.2019.01.004      [本文引用: 1]

ALAMPALLI S, LUND R

Estimating fatigue life of bridge components using measured strains

[J]. Journal of Bridge Engineering, 2006, 11 (6): 725- 736

DOI:10.1061/(ASCE)1084-0702(2006)11:6(725)     

陆春振. 桥梁用高强度螺栓延迟断裂研究 [D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2019.

[本文引用: 1]

LU Chunzhen. Study on delayed fracture of high strength bolts for bridges [D]. Beijing: China Academy of Railway Science, 2019.

[本文引用: 1]

GLIENKE R, SCHWARZ M, EBERT A, et al

Joints with lockbolts in steel structures–part 1: lockbolt technology

[J]. Steel Construction, 2020, 13 (2): 120- 127

DOI:10.1002/stco.202000011      [本文引用: 1]

MARIAM M, AFENDI M, ABDUL MAJID M S, et al

Hydrothermal ageing effect on the mechanical behaviour and fatigue response of aluminium alloy/glass/epoxy hybrid composite single lap joints

[J]. Composite Structures, 2019, 219: 69- 82

DOI:10.1016/j.compstruct.2019.03.078      [本文引用: 1]

PEROGAMVROS N, LAMPEAS G

Experimental investigation of composite lockbolt fastened joints under in-plane low velocity impact

[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2016, 90: 510- 521

DOI:10.1016/j.compositesa.2016.08.010      [本文引用: 1]

张天雄, 王元清, 陈志华, 等

高强度不锈钢短尾环槽铆钉力学性能试验研究

[J]. 工程力学, 2021, 38 (Suppl.1): 151- 158

[本文引用: 1]

ZHANG Tianxiong, WANG Yuanqing, CHEN Zhihua, et al

Experimental study on the mechanical properties of high strength stainless steel short tail swage-locking pins

[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38 (Suppl.1): 151- 158

[本文引用: 1]

杨俊芬, 同钿萌, 李立和, 等

腐蚀对5.8级环槽铆钉疲劳性能影响的研究

[J]. 工程力学, 2025, 42 (5): 111- 121

DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.12.1100      [本文引用: 1]

YANG Junfen, TONG Tianmeng, LI Lihe, et al

Study on the influence of corrosion on fatigue properties of the 5.8-grade lock bolt

[J]. Engineering Mechanics, 2025, 42 (5): 111- 121

DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.12.1100      [本文引用: 1]

LIU Z, ZHENG M, YAN X, et al

Changing behavior of friction coefficient for high strength bolts during repeated tightening

[J]. Tribology International, 2020, 151: 106486

DOI:10.1016/j.triboint.2020.106486      [本文引用: 1]

KONG Q, LI Y, WANG S, et al

The influence of high-strength bolt preload loss on structural mechanical properties

[J]. Engineering Structures, 2022, 271: 114955

DOI:10.1016/j.engstruct.2022.114955      [本文引用: 1]

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): 143- 149

[本文引用: 1]

DENG Hua, CHEN Weigang, BAI Guangbo, et al

Experimental study on shearing behavior of lockbolted lap connection for aluminum alloy plates

[J]. Journal of Building Structures, 2016, 37 (1): 143- 149

[本文引用: 1]

徐菲, 曾文彦, 周绪红, 等

高强度环槽铆钉拉-剪力学性能研究

[J]. 建筑结构学报, 2024, 45 (8): 259- 270

[本文引用: 2]

XU Fei, ZENG Wenyan, ZHOU Xuhong, et al

Investigation of mechanical behaviour of high-strength swage lockbolts subjected to combined tension and shear

[J]. Journal of Building Structures, 2024, 45 (8): 259- 270

[本文引用: 2]

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

DOI:10.1016/j.engstruct.2019.109675      [本文引用: 1]

WANG Z, WANG Y, YUN X, et al

Numerical modelling of extruded aluminium alloy T-stubs connected by swage-locking pins: FE validation and parametric study

[J]. Thin-Walled Structures, 2020, 155: 106926

DOI:10.1016/j.tws.2020.106926      [本文引用: 1]

王中兴, 韩晔声, 孙健婕, 等. 高温下拉断型环槽铆钉力学性能试验研究 [EB/OL] (2024-05-27). https://link.cnki.net/doi/10.15951/j.tmgcxb.24020162.

[本文引用: 1]

王贤强, 杨羿, 刘朵, 等

节点板高强螺栓预紧力松弛试验研究

[J]. 钢结构: 中英文, 2019, 34 (11): 40- 44

[本文引用: 1]

WANG Xianqiang, YANG Yi, LIU Duo, et al

Experimental research on pre-tightening force relaxation of high-strength bolt in joint plate

[J]. Steel Construction, 2019, 34 (11): 40- 44

[本文引用: 1]

易志宏, 刘浪, 田波, 等

环槽铆钉在公路桥梁中应用的试验研究

[J]. 公路, 2022, 67 (1): 104- 108

[本文引用: 1]

YI Zhihong, LIU Lang, TIAN Bo, et al

Practice study of ring groove rivets in highway bridges

[J]. Highway, 2022, 67 (1): 104- 108

[本文引用: 1]

戴润达, 于红杰, 付常谊, 等

环槽铆钉连接副抗腐蚀性能及夹紧力群铆试验研究

[J]. 世界桥梁, 2023, 51 (2): 76- 81

DAI Runda, YU Hongjie, FU Changyi, et al

Experimental study of corrosion resistance and clamping force of ring grooved rivet connection pair

[J]. World Bridges, 2023, 51 (2): 76- 81

王琨, 刘永健, 张太科, 等. 钢桁梁拼接节点中环槽铆钉预紧力试验研究 [EB/OL]. (2025–07–11). https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=ZDZC20250704001&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ.

[本文引用: 1]

刘震北, 黄河, 崔冰, 等. 板桁结合密横梁桥面系结构布置研究 [EB/OL]. (2025–07–02). https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=DNDX20250702001&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ.

[本文引用: 1]

陈伟乐, 刘震北, 刘双, 等

狮子洋大桥整体节点足尺模型静载试验

[J]. 交通运输工程学报, 2025, 25 (3): 65- 81

[本文引用: 1]

CHEN Weile, LIU Zhenbei, LIU Shuang, et al

Full-scale model static tests of integral joint on the Shiziyang Bridge

[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2025, 25 (3): 65- 81

[本文引用: 1]

王金锁, 张钦, 徐玉波, 等. 螺栓与环槽铆钉的抗剪性能对比试验研究 [EB/OL]. (2023-12-15). https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2068.TU.20231215.1024.002.html.

[本文引用: 1]

徐菲, 陆一安, 周绪红, 等

高强度环槽铆钉ML40Cr材料单轴拉伸及低周疲劳性能研究

[J]. 建筑结构学报, 2024, 45 (10): 217- 228

XU Fei, LU Yian, ZHOU Xuhong, et al

Uniaxial tensile and low-cycle fatigue performance of high-strength lockbolt ML40Cr materials

[J]. Journal of Building Structures, 2024, 45 (10): 217- 228

XUE X, LIN S, GUO Z, et al

Mechanical behavior of loose high-strength bolted connections with thin sheet steels

[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 168: 108281

DOI:10.1016/j.tws.2021.108281      [本文引用: 1]

中国工程建设标准化协会. 钢结构高强度环槽铆钉连接技术规程: T/CECS 1552—2024 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2024.

[本文引用: 2]

陈学森, 施刚

超大承载力端板连接节点螺栓施拧顺序及预拉力松弛研究

[J]. 钢结构, 2018, 33 (6): 1- 5

[本文引用: 1]

CHEN Xuesen, SHI Gang

Tightening sequence and pretension relaxation of bolts in ultra-large capacity end-plate connections

[J]. Steel Construction, 2018, 33 (6): 1- 5

[本文引用: 1]

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