一、基本情况
获奖项目名称:铝合金结构不锈钢环槽铆钉连接关键技术研究与应用
主要完成单位:天津大学、清华大学、眉山中车紧固件科技有限公司、上海通正铝结构建设科技有限公司、同济大学、重庆大学、深圳市大地幕墙科技有限公司、电力规划总院有限公司
主要完成人:王中兴、王元清、韩庆华、欧阳元文、石宇、郭小农、张钦、张颖、董帅、李丞、李梦屿、宗亮、李国星、叶全喜、杨悦
二、项目背景
随着工程建设水平提升，市场对轻质高强、绿色耐久的建筑结构需求日益增长。铝合金具有比强度高、耐腐蚀、易成型等优点，在大跨空间结构、桥梁及快速拼装结构中应用渐广，目前全球约25%的铝合金用于建筑结构，且比例持续上升。然而，铝合金高温力学性能差导致可焊性不佳，制约了其发展。根据我国《铝合金结构设计规范》，其焊接热影响区强度折减高达50%，难以像钢结构一样普遍采用焊接连接。而采用钢螺栓易锈蚀，不锈钢螺栓又易出现螺纹“咬死”问题。本项目实施前，缺乏合理可靠的连接方式，限制了铝合金结构的工程应用，阻碍了绿色高性能结构的发展。
图2 不锈钢螺栓“咬死”现象
本项目针对上述痛点问题，首先研发适用于铝合金结构体系的高性能紧固件——不锈钢环槽铆钉，沿着“紧固件—连接构造—节点”的思路，系统开展了铝合金结构不锈钢环槽铆钉连接关键技术研究与应用，结合试验、数值和理论等研究手段，全面考虑了静动力及常/高温环境，主要创新成果如下：
三、创新成果
（1）国产高性能不锈钢环槽铆钉研发与基本力学性能。研发了奥氏体不锈钢普通环槽铆钉和沉淀硬化型马氏体不锈钢高强度环槽铆钉。获取了普通和高强度不锈钢环槽铆钉材料的基本力学性能并提出了双阶段本构关系模型；揭示了常/高温下环槽铆钉预紧力损失规律和多角度受力工况下的破坏机理，提出了常/高温下环槽铆钉的力学性能设计方法，建立了可用于连接与节点受力分析的环槽铆钉简化数值模型。
图3 创新点1 国产高性能不锈钢环槽铆钉研发与基本力学性能
（2）铝合金结构不锈钢环槽铆钉连接设计方法与抗滑移性能提升技术。揭示了铝合金结构不锈钢环槽铆钉受剪与受拉连接破坏机理并提出承载性能设计方法，研发铝合金板件摩擦面电弧喷涂和超音速冷喷涂技术从而实现了高强度连接抗滑移性能的提升，明确了铝合金结构不锈钢环槽铆钉连接高温失效模式和力学性能退化规律。
图4 创新点2 铝合金结构不锈钢环槽铆钉连接设计方法与抗滑移性能提升技术
（3）新型铝合金结构环槽铆钉节点连接技术与承载性能设计方法。提出了适用于大跨度空间结构的新型环槽铆钉连接铝合金板式节点，揭示了其静动力力学性能并提出承载性能设计方法；提出了适用于低多层铝合金框架结构的环槽铆钉连接梁柱节点，并通过不锈钢件组合使用实现了节点承载性能与抗震性能提升，提出了梁柱节点力学性能设计方法。
图5 创新点3 新型铝合金结构环槽铆钉节点连接技术与承载性能设计方法
四、推广应用情况
本项目所研发不锈钢环槽铆钉广泛应用于我国重大金属结构，如江门中微子探测器不锈钢网壳等，连接及节点层次的研究成果广泛应用于北京大兴国际机场、南京牛首山佛顶宫、上海G60科创云廊等十余项铝合金大跨空间结构及低多层铝合金框架结构，取得显著的经济和社会效益。
（a）江门中微子探测器不锈钢网壳
（b）北京大兴国际机场
图6 研究成果推广应用
