一、基本情況
獲獎項目名稱:鋁合金結構不銹鋼環槽鉚釘連接關鍵技術研究與應用
主要完成單位:天津大學、清華大學、眉山中車緊固件科技有限公司、上海通正鋁結構建設科技有限公司、同濟大學、重慶大學、深圳市大地幕墻科技有限公司、電力規劃總院有限公司
主要完成人:王中興、王元清、韓慶華、歐陽元文、石宇、郭小農、張欽、張穎、董帥、李丞、李夢嶼、宗亮、李國星、葉全喜、楊悅
二、項目背景
隨著工程建設水平提升，市場對輕質高強、綠色耐久的建筑結構需求日益增長。鋁合金具有比強度高、耐腐蝕、易成型等優點，在大跨空間結構、橋梁及快速拼裝結構中應用漸廣，目前全球約25%的鋁合金用于建筑結構，且比例持續上升。然而，鋁合金高溫力學性能差導致可焊性不佳，制約了其發展。根據我國《鋁合金結構設計規范》，其焊接熱影響區強度折減高達50%，難以像鋼結構一樣普遍采用焊接連接。而采用鋼螺栓易銹蝕，不銹鋼螺栓又易出現螺紋“咬死”問題。本項目實施前，缺乏合理可靠的連接方式，限制了鋁合金結構的工程應用，阻礙了綠色高性能結構的發展。
圖2 不銹鋼螺栓“咬死”現象
本項目針對上述痛點問題，首先研發適用于鋁合金結構體系的高性能緊固件——不銹鋼環槽鉚釘，沿著“緊固件—連接構造—節點”的思路，系統開展了鋁合金結構不銹鋼環槽鉚釘連接關鍵技術研究與應用，結合試驗、數值和理論等研究手段，全面考慮了靜動力及常/高溫環境，主要創新成果如下：
三、創新成果
（1）國產高性能不銹鋼環槽鉚釘研發與基本力學性能。研發了奧氏體不銹鋼普通環槽鉚釘和沉淀硬化型馬氏體不銹鋼高強度環槽鉚釘。獲取了普通和高強度不銹鋼環槽鉚釘材料的基本力學性能并提出了雙階段本構關系模型；揭示了常/高溫下環槽鉚釘預緊力損失規律和多角度受力工況下的破壞機理，提出了常/高溫下環槽鉚釘的力學性能設計方法，建立了可用于連接與節點受力分析的環槽鉚釘簡化數值模型。
圖3 創新點1 國產高性能不銹鋼環槽鉚釘研發與基本力學性能
（2）鋁合金結構不銹鋼環槽鉚釘連接設計方法與抗滑移性能提升技術。揭示了鋁合金結構不銹鋼環槽鉚釘受剪與受拉連接破壞機理并提出承載性能設計方法，研發鋁合金板件摩擦面電弧噴涂和超音速冷噴涂技術從而實現了高強度連接抗滑移性能的提升，明確了鋁合金結構不銹鋼環槽鉚釘連接高溫失效模式和力學性能退化規律。
圖4 創新點2 鋁合金結構不銹鋼環槽鉚釘連接設計方法與抗滑移性能提升技術
（3）新型鋁合金結構環槽鉚釘節點連接技術與承載性能設計方法。提出了適用于大跨度空間結構的新型環槽鉚釘連接鋁合金板式節點，揭示了其靜動力力學性能并提出承載性能設計方法；提出了適用于低多層鋁合金框架結構的環槽鉚釘連接梁柱節點，并通過不銹鋼件組合使用實現了節點承載性能與抗震性能提升，提出了梁柱節點力學性能設計方法。
圖5 創新點3 新型鋁合金結構環槽鉚釘節點連接技術與承載性能設計方法
四、推廣應用情況
本項目所研發不銹鋼環槽鉚釘廣泛應用于我國重大金屬結構，如江門中微子探測器不銹鋼網殼等，連接及節點層次的研究成果廣泛應用于北京大興國際機場、南京牛首山佛頂宮、上海G60科創云廊等十余項鋁合金大跨空間結構及低多層鋁合金框架結構，取得顯著的經濟和社會效益。
（a）江門中微子探測器不銹鋼網殼
（b）北京大興國際機場
圖6 研究成果推廣應用
