引言
输电铁塔作为输电线路的核心组成部分，其承载能力对于保障输电线路的安全稳定运行具有至关重要的作用[1]。当前，输电铁塔塔身主要采用单根等边角钢或者组合角钢连接而成，螺栓由于制造安装方便被广泛应用于铁塔构件连接中，但螺栓连接在实践应用中也暴露出一些问题。由于螺栓连接的特性，其承载能力主要依赖于连接件的紧密配合，一旦出现松动或脱落，就会对铁塔的承载能力产生影响。需要对这种连接方式进行改进与优化。本文采用眉山中车紧固件科技有限公司研发的环槽铆钉来代替螺栓来进行部件间的连接。
环槽铆钉又称为哈克（Huck）螺栓，作为一种先进的紧固件，最早被应用于军工领域，因其具有连接牢靠、抗振强、抗疲劳性、耐冲击等诸多优点而被广泛应用于航空航天、轨道交通、桥梁工程、汽车、建筑结构等多个领域[2]，为这些领域的工业制造和建设提供了强有力的支持。与普通螺栓的扭矩旋转安装方式不同，环槽铆钉在安装过程中，铁砧将沿着轴向方向平稳向下移动。在从开始接触套环到铆接完成的整个过程中，套环一直处于径向被挤压的状态。这一过程中，套环内壁的金属被引导到铆钉的环槽中，与此同时，铆钉也被轴向拉伸产生了轴向的力，使得套环与铆钉螺纹之间形成塑性变形建立稳定连接。
目前，国内外关于铁塔中环槽铆钉连接研究相对较少，主要集中在铆钉单钉性能的研究上。邓华[3]等对由环槽铆钉连接的铝合金板件进行了拉伸试验检验铆钉的抗剪性能，分析了节点的破坏模式及铆钉孔径、端距、边距等相关参数对受剪承载力的影响。张钦[4]等基于 Deform 有限元分析与试验验证对环槽铆钉的夹紧力、拉脱力、剪切力和疲劳性能进行了验证，表明环槽铆钉的设计能达到相关要求。易志宏[5]等对环槽铆钉在公路桥梁中的应用进行了深入研究，并对其与传统高强螺栓进行了对比。文章通过双摩擦面抗剪试验和抗剪疲劳试验，分析了环槽铆钉的性能表现，评估其在公路桥梁连接副中的适用性和可靠性。张天雄[2]等对大量 M20 铆钉从原材料性能、热处理工艺、预紧力、铆接顺序等方面进行了研究，揭示了其优良的力学性能。Sun J P[6]等研究了高强铝合金环槽铆钉节点破坏模式、载荷位移曲线和其他力学性能。与螺栓连接相比，高强铝合金环槽铆钉连接具有良好的延性。Urban[7]对旋翼机机身结构中常见的铆钉连接进行了静态测试和三维有限元分析，来评估铆钉的载荷分布和局部应力场。Repetto[8]利用有限元的分析对铆钉的铆接过程进行了分析。Cheraghi[9]基于疲劳裂纹的产生对部件间的连接方式做了相关的研究。其中铆接工艺的许多参数直接影响铆钉的质量，包括挤压力、铆钉长度、铆钉直径和孔径公差。这些参数的不正确组合与改变可能导致过大的残余应力，从而产生应力集中点并引发裂纹。
针对于螺栓连接中的问题与理论改进方法也有学者做出了相关研究，班慧勇[10]等提出了一种基于传统高强度螺栓的新型单边连接方式,对其应变松弛及连接抗剪性能展开了试验研究。结果显示此种单边连接螺栓应变松弛较小，且松弛时间较短。该单边连接构造形式在施拧中的扭矩系数偏大，仍需要更进一步的研究。韩腾飞[11]基于有限元分析建立的摩擦型高强螺栓连接的非线性有限元模型，通过试验来验证有限元模型的准确性和适用性，分别建立了摩擦型高强螺栓连接在摩擦阶段和滑移阶段的荷载-位移曲线的简化模型。用此模型来简化节点的处理方式，来提高实际分析效率。刘荣阳[12]设计了 10.9 级高强螺栓在不同钢材等级与不同孔径下的抗剪试验，并采用有限元的方式研究了螺栓孔型、预紧力损失程度以及抗滑移系数 3 个参数对连接抗剪性能的影响，得到了预紧力以及抗滑移系数对不同螺栓孔型连接的变化规律。张广平[13]为研究能否将铆钉连接应用到光伏支架中，而对比分析了螺栓和拉铆连接腐蚀前后抗剪性能。试验结果表明：腐蚀环境下铆钉连接的抗剪承载力下降程度比普通螺栓的小。相较于铆钉套环与螺杆之间的紧密连接，螺栓的螺帽和螺杆间的存在缝隙，腐蚀物质更容易对其产生侵蚀作用使得承载力大幅度下降。
由此可见关于螺栓连接的问题，不断有学者在进行研究与优化。本文基于现有研究基础，提出用环槽铆钉来代替普通螺栓对输电铁塔中的部件进行连接。而输电铁塔中角钢构件的连接以螺栓和铆钉受剪传力为主，为研究环槽铆钉的抗剪性能以及电力铁塔中环槽铆钉代替螺栓的可行性，本文首先通过对环槽铆钉单钉的抗拉与抗剪性能进行研究对比，再通过节点抗剪力学试验的对比分析来说明环槽铆钉在实际工程中的优势，为在电力铁塔领域的推广中提供基础数据资料与试验对比参照。
1、 单钉抗拉承载力与抗剪承载力试验
1.1 材性试验
本文节点试件所采用的是 Q355B 板材，参照规范《钢及钢产品力学性能试件取样位置及试件制备》(GB/T2973-2018)[14]和《金属材料室温拉伸试验：第一部分：室温试验方法》(GB/T228.1-2021)[15]在同批 Q355B 钢板上参考图 2 制作拉伸试件，在 SHT-4106 微机电液伺服万能试验机上进行拉伸试验。试件数目为 3。板材拉伸试验结果如图 3 所示，钢材材性指标见表 1。根据上表中材性试验结果，得出材料的强屈比均大于 1.2，伸长率大于 20%，故所选板材材性满足《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[16]对于试验所用钢材的要求。
本文试验中采用的螺栓为 8.8 级普通粗牙六角头螺栓，螺栓质量合格，各项力学性能符合规范要求。本文采用的 8.8 级 M20 与 M16 规格的环槽铆钉，根据相关规范材性试验试件尺寸如图 4，单轴拉伸试验采用位移控制，分别测试材料的名义屈服强度、抗拉强度、弹性模量断后伸长率列于表中。
试件拉断后试验结果如图 5 所示，环槽铆钉各试件材性试验数据如表 2 所示。
1.2 试件概述
为对比环槽铆钉与普通螺栓单钉的抗拉与抗剪性能设计 8 组试件，共计 24 个试件。试验在如图6 所示的万能试验机上进行，设备型号为 SHT4106，最大载荷可达 1000 kN。试验分别采用 8.8 级M20、8.8 级 M16 的环槽铆钉以及同规格普通螺栓，其中 M16 与 M20 螺栓的紧固扭矩分别为 80N·m和 120N·m。试验采用位移加载，位移速率控制在 1.2 mm/min。试验机程序记录试验过程中的荷载与位移，并计算出试件破坏时最大承载力。试件破坏模式如图 7 所示，将每组试件的承载力取均值并记录到表 4 中（组号 P 为抗拉试件组，Q 为抗剪试件组）。
1.3 试验结果
由图 7、表 4 可知，螺栓与环槽铆钉的破坏模式均为杆的剪切破坏。在抗拉试件中铆钉的破坏模式为套环拉脱破坏，螺栓的破坏模式为螺杆拉断。这与铆钉和螺栓各自的紧固方式相关。每种破坏没有明显预兆属于脆性破坏。其中 M16 的环槽铆钉抗剪能力是同规格螺栓的 1.12 倍，抗拉能力是螺栓的 1.10 倍。M20 环槽铆钉的抗剪性能更是同规格螺栓的 1.47 倍，抗拉能力为螺栓的 1.18 倍。即同规格下环槽铆钉的单钉性能优于普通螺栓，可用于铁塔中各部件的连接。
2、 连接节点抗剪试验
2.1 试件设计
输电铁塔中各角钢部件采用螺栓连接，节点处的承载力与螺栓的抗剪强度相关，为对比研究环槽铆钉代替螺栓后钢板连接中环槽铆钉的抗剪性能。本试验设计四组连接试件，各组连接分别选用 M16和 M20 的螺栓和 M16 与 M20 的环槽铆钉。每组试验中包含 3 个相同试件，以保证试验数据的准确性。为检验环槽铆钉与螺栓的抗剪承载力，试验中连接板与盖板选用较厚的钢板，以保证其在试验中钢板不会被拉断，使得破坏发生在连接件处，以便研究连接件的破坏模式。其中每个试件中盖板采用10mm 的钢板，连接件选用 18mm 的钢板，材质为 Q355B。为满足试验机的加持需求，试件两端预留120mm 的加持区域，并在加持区域做滚花处理。在端部设计竖直挡块，以保证试验过程中滑移只发生在节点连接处。所有铆钉孔均满足《钢结构设计标准》（GB50017-20017）[16]的端边距要求，端距55mm 间距取为 85mm。试件详细参数见表 5。按图 8 与图 9 所示用螺栓、环槽铆钉将试验工装连接拼装到位，并根据《110～750kV 架空输电线路施工及验收规范》（GB/50233-2014）[17]规定使用数显扭矩扳手对螺栓施加紧固扭矩，根据环槽铆钉安装方法使用铆接工具、液压泵站将环槽铆钉安装到位。
2.2 加载方案
试验工装组装完成后，将节点试件夹持端连接到万能试验机上并施加预荷载。按照试验规范对试件进行预加载，以检查各组试件的安装情况，包括加载装置是否偏心、连接件是否松动、整个试验装置是否可靠；按照《钢板栓接面抗滑移系数的测定》(GB/T 34478)[18]试验方法，使用 SHT-4106 微机控制电液伺服万能试验机对各组试件进行加载。试验采用位移控制的加载方式，加载速率与单钉试验相同。当试验过程中出现以下现象时停止加载并缓慢卸载:1)试件断裂(连接板或一端环槽铆钉全部断裂)断裂;2)荷载位移曲线出现明显下降段。在连接板侧面的孔径中轴位置画线以便于观察试验中试件的滑移与变形情况。由试验机自身程序记录试验过程中荷载和位移。实际加载过程如图 10 所示。
3 、节点试验结果及数据分析
3.1 节点试验结果
分析试验现象发现，各节点试件破坏过程和最终破坏模式相似（见图 11）,基本的现象为：试验加载初期荷载较小时试件无明显变化，随荷载不断增加，板件之间的摩阻力被克服，连接板与盖板产生相对滑移，滑移距离大致与螺栓孔之间的间隙相当，而滑移先后顺序与所施加的紧固扭矩大小有关。滑移结束后，螺栓和环槽铆钉产生孔壁承压，承载力稳定上升，变形持续增大。随着继续加载，试件在峰值处一端的连接件突然被剪断，荷载位移曲线下降明显，试验终止。连接节点破坏前除摩擦段的小滑移外无其他明显预兆，并且发生破坏时伴随着响声，属于脆性破坏。
试验卸载后观察板件螺栓孔附近的变形和铆钉的剪切情况。发现在试件 JQ1 与 JQ3（图 12（a）、图 12（c））中由于选用的板材厚度较厚，孔壁处的变形约束力强，使得螺栓孔并未发生明显的变形。而在试件 JQ2 与 JQ4(图 12（b）、图 12（d）)中由于连接件强度的提升而产生了一定程度的孔壁承压变形。试验最终均以螺栓和环槽铆钉的剪断而终止，致使连接节点丧失承载力，螺栓和环槽铆钉破坏位置均为其受剪截面处并有明显的挤压痕迹。由于螺栓和铆钉破坏的先后顺序以及孔边挤压变形使得盖板在水平方向上产生了一定程度的翘曲。试验抗剪试验中的试件破坏模式都是螺栓和铆钉的剪切破坏，试验结果与试验预期相符。
3.2 试验分析
各组试验的位移荷载曲线见图 13，结合试件的试验现象与结果可以看出螺栓与铆钉在加载初期荷载以板件之间的摩擦力进行传递。随着试验力的增大，超过其临界值后，板件之间都会产生一定程度的滑移，滑移距离与试件连接板的孔径相关。M16 的螺栓与铆钉组出现了两次滑移的现象，即当一侧螺栓全部滑移后进入承压阶段时，另一侧的螺栓未发生滑移。而 M20 的螺栓与铆钉组在滑移结束后直接进入承压阶段。从试验结果与最终承载力得出滑移时间与距离并不影响节点的最终承载力。
承压阶段初期：铆钉与板件均处于弹性阶段，位移荷载曲线保持线性。承压端后期出现强化阶段，M20 铆钉的特别明显。这也与试验结果中 M20 组试件的连接板出现孔壁变形相对应。最终试件承载力达到峰值，试件破坏。
总体而言：环槽铆钉预紧力在板件间产生的摩擦力有限，主要以铆钉本身的抗剪为主。由于预紧力的不同而产生不同的滑移情况不影响最终承载力与变形。在连接板强度、孔径、间距和端距满足要求的前提下，连接件承载能力以铆钉和螺栓的抗剪能力为主要影响因素。
为更加直观的对比螺栓与环槽铆钉的抗剪能力，以连接节点所受最大的承载力作为衡量指标，将各组螺栓和环槽铆钉的节点承载能力做平均后用柱状图表示如下。
结合位移荷载曲线图与承载能力对比图可以得出：试件 JQ3 组的承载力约为试件 JQ1 的 1.22倍，试件 JQ4 组的承载力约为试件 JQ2 的 1.17 倍。且同规格下环槽铆钉与螺栓的滑移距离相差不多。
4、经济可行性分析
在工业和建筑领域，环槽铆钉和螺栓是两种常用的紧固件，用于连接各种材料。然而，它们在应用中的经济可行性因多种因素而异，包括材料成本、劳动力成本、耐久性、维护需求等。从全寿命周期成本的角度来看，环槽铆钉和螺栓的对比需要考虑以下几个因素：
初始成本：环槽铆钉的初始成本通常比螺栓高，因为其制造过程更为复杂，且螺栓的市场需求量较大。通过调查发现环槽铆钉的采购价在 0.5~3 元之间，螺栓在 0.3~2 元之间。随着生产工艺与效率的提高可以进一步降低环槽铆钉的初始成本。安装过程中虽然单个螺栓的安装成本更低，但是对于需求量较大的结构。环槽铆钉因安装时间较短节约人工成本使得整体性价比有所提升维护成本：环槽铆钉具有较好的耐久性和抗疲劳性能，可以减少维护和更换的需求。
因此，在全寿命周期中，其维护成本比螺栓低。螺栓的维护成本相对较高，因为需要经常进行维护或更换。安装成本：由于环槽铆钉需要专门的设备和技能进行安装，因此其安装成本可能比螺栓高。螺栓的安装成本相对较低，因为其安装简单、易用。安全性：环槽铆钉和螺栓在安全性方面都有保障。然而，在某些特定应用中，如航空和轨道交通等行业，环槽铆钉更受青睐，因为其连接性能更加稳定和可靠。环境适应性：环槽铆钉和螺栓都具有较好的环境适应性。然而，在一些特殊环境中，如高温、低温、腐蚀等环境下，环槽铆钉更具有优势，因为其耐久性和抗疲劳性能更好。通过计算可得一座使用 10 万套 24mm 紧固件连接的钢结构桥梁在安全运行 30 年内的总成本如下表所示：
就运行 30 年的总成本而言，环槽铆钉连接成本远低于螺栓连接成本，约为螺栓连接的 46.6%。在运行 10 年时两种连接方式的总成本一致；运行 30 年后高栓连接成本为环槽铆钉连接成本的 2.1倍。
综合考虑以上因素，从全寿命周期成本的角度来看，环槽铆钉和螺栓的对比因应用场合、使用寿命预期、维护需求等因素而异。在电力铁塔领域环槽铆钉代替螺栓连接是可行的，能够提高连接处的抗剪性能，降低后期维护费用，产生较好的经济效应。
5、 结论
本文通过对环槽铆钉与同规格下普通螺栓的单钉性能对比试验与 12 个连接试件的抗剪试验，分析了环槽铆钉连接节点的抗剪性能与破坏机理，可以得出以下结论：
1）环槽铆钉单钉的抗剪性能与抗拉性能优于同规格的普通螺栓。两者的剪切破坏模式都为钉杆剪断。在抗拉试验中，环槽铆钉与螺栓的破坏模式不同，这与两者的紧固方式有关。前者是套环拉脱而后者是螺杆拉断。
2)在连接板的强度满足要求的前提下，试件的破坏形式为螺栓和铆钉剪切破坏。规范规定的端距与边距能有效的防治板件的纵向撕裂破坏。
3）不同的滑移情况不影响连接件最终承载力与变形情况，且同规格下，铆钉与螺栓的滑移距离相同但铆钉的抗剪承载力优于普通螺栓。
4）在节点连接件中，环槽铆钉紧固力在板件间提供的摩擦力非常有限，整体受力主要以铆钉的承压受剪为主，即节点连接中环槽铆钉的连接与螺栓相同都属于承压型连接。
5）在此连接节点中，环槽铆钉的抗剪性能优于螺栓，环槽铆钉可以代替螺栓应用于输电铁塔中，环槽铆钉能够提高铁塔连接处的抗剪性能。
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