Recherche sur la structure, les performances, l'application et les tendances de développement des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion

1 Introduction

Les boulons sont les fixations les plus largement utilisées dans les ouvrages d'art, qui déterminent directement la stabilité des connexions et la sécurité globale des structures en acier dans les bâtiments, les ponts et les machines. En tant que nouveau type d'assemblagefixation à haute résistance, les boulons à haute résistance au cisaillement de torsion présentent des avantages remarquables tels qu'une construction pratique, une force de pré-serrage précise, une connexion uniforme et d'excellentes performances sismiques. Ils ont été largement adoptés et étudiés dans divers projets de structures en acier, servant de composants essentiels pour les connexions dans les bâtiments préfabriqués modernes et les structures robustes. Cet article décrit systématiquement la configuration structurelle, le principe de fonctionnement et les propriétés mécaniques de base des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion, trie leurs scénarios d'application technique et analyse leurs futures tendances de recherche et de développement d'applications combinées à l'état industriel actuel.

2 Structure et principe de fonctionnement des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion

Un boulon à haute résistance au cisaillement de torsion se compose d'une tige de boulon, d'un écrou spécial, de rondelles, d'une rainure de cisaillement de torsion au niveau de la queue, d'une tête d'entraînement en fleur de prunier et d'un col de cisaillement. Comparé aux boulons traditionnels à haute résistance, il possède une structure dédiée. Sa caractéristique structurelle clé est un col de cisaillement réduit avec précision et une extrémité motrice en fleur de prunier usinée au niveau de la queue du boulon, qui permet un serrage final contrôlé par couple et une précharge précise.

Son principe de fonctionnement de construction diffère du mécanisme de dissipation d'énergie via la déformation par cisaillement par torsion des boulons ordinaires. Lors de l'installation, une clé à cisaillement de torsion spéciale est utilisée ; les manchons intérieur et extérieur serrent respectivement la tête en fleur de prunier au niveau de la queue du boulon et de l'écrou pour appliquer un couple de manière synchrone. Au fur et à mesure que l'écrou est serré en permanence, la force de pré-serrage du boulon augmente régulièrement. Lorsque la force de pré-serrage atteint la valeur standard conçue, la force de cisaillement supportée par le cou de cisaillement au niveau de la queue du boulon atteint sa limite et la tête en fleur de prunier au niveau de la queue sera automatiquement cisaillée pour terminer la construction. Cette structure peut contrôler avec précision la force de pré-serrage des boulons et éviter le desserrage des connexions, une précharge insuffisante ou des dommages de serrage excessifs causés par une déviation manuelle du couple, permettant ainsi un assemblage standardisé et de haute précision.

3 Performances de base des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion

3.1 Performances mécaniques à haute résistance

Les boulons à haute résistance au cisaillement de torsion sont principalement fabriqués à partir d'acier de construction allié de haute qualité par traitement thermique de trempe et de revenu, avec un niveau de résistance commun de 10,9. Ils possèdent d’excellentes propriétés mécaniques en traction, cisaillement et compression. Par rapport aux boulons ordinaires, leur limite d'élasticité, leur résistance à la traction et leur résistance à la fatigue sont grandement améliorées. Ils peuvent résister à des conditions de travail à long terme avec des charges importantes et des contraintes élevées dans les structures en acier, répondant pleinement aux exigences de conception de connexions à haute résistance des immeubles de grande hauteur, des ponts à longue portée et des structures en acier lourdes, et offrant une plus grande stabilité de charge structurelle.

3.2 Bonnes performances sismiques et stabilité structurelle

Boulons à haute résistance au cisaillement de torsionobtenir un contact étroit grâce à une force de pré-serrage précise et uniforme avec un minimum d'espaces sur les surfaces de contact. Ils peuvent empêcher efficacement le glissement et le desserrage des connexions structurelles sous l'effet des vibrations et des charges alternées. Sous des charges externes alternées telles que les tremblements de terre et les forces du vent, la connexion boulonnée supporte une contrainte uniforme, ce qui peut répartir et transférer efficacement les contraintes structurelles, réduire la concentration de contraintes locales, réduire le risque de déformation structurelle et de défaillance de la connexion et améliorer considérablement les performances sismiques globales et la durabilité à la fatigue des structures en acier.

4 Applications techniques des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion

Bénéficiant d’une grande précision d’assemblage, d’une vitesse de construction rapide, d’une connexion fiable et de bonnes performances sismiques, les boulons à haute résistance au cisaillement de torsion sont largement utilisés dans les positions de connexion clés de diverses structures en acier. Dans le secteur de la construction, ils sont principalement utilisés pour les assemblages de charpentes en acier des immeubles de grande hauteur et de très grande hauteur et pour les joints poutres-colonnes en acier préfabriqués. Dans l'ingénierie des transports, ils sont largement appliqués aux ponts en acier à longue portée, aux structures de support de pont et aux connexions en acier des passerelles. En outre, ils conviennent aux machines d'ingénierie, aux structures d'outillage aérospatiales, aux supports en acier d'équipements à grande échelle et à d'autres scénarios nécessitant une précision et une sécurité de connexion élevées. De tels boulons peuvent garantir efficacement la stabilité, la sécurité et la durabilité de la structure globale et répondre aux exigences de construction des projets modernes de structure en acier de haut niveau.

5 orientations futures du développement des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion

5.1 Recherche et développement de matériaux spéciaux hautes performances

Les recherches futures pourront se concentrer sur le développement et l'application de nouveaux matériaux en alliages spéciaux à haute résistance, haute ténacité et résistant à la corrosion, et optimiser les processus de traitement thermique de l'acier. Cela améliore encore la résistance des boulons, la ténacité à basse température, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue pour s'adapter à des conditions techniques extrêmement difficiles telles que les brouillards salins marins, les basses températures et la corrosion chimique, élargissant ainsi son champ d'application dans des scénarios spéciaux.

5.2 Optimisation de la conception structurelle

En combinaison avec les caractéristiques de contrainte réelles en ingénierie, optimisez la conception dimensionnelle du collier de cisaillement, du profil du filetage et de la structure de la tige pour améliorer encore la précision de la force de pré-serrage et la stabilité du couple de la structure. Parallèlement, optimisez le système d'appariement des produits, développez de nouvelles structures de boulons de cisaillement de torsion adaptées aux structures de forme spéciale, aux espaces étroits et aux conditions de travail lourdes, et améliorez la polyvalence et l'adaptabilité des produits.

5.3 Recherche approfondie sur la simulation et les expériences numériques

Grâce à la technologie de simulation numérique par éléments finis combinée à des essais de chargement statique, de chargement de fatigue et d'impact sismique, étudiez systématiquement la réponse mécanique, le mécanisme de rupture et la loi de déformation des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion sous des charges complexes, des vibrations alternées et des températures extrêmes. Améliorer son système théorique de contrainte et fournir une base théorique et expérimentale plus scientifique et plus précise pour la conception technique, l'optimisation des spécifications de construction et l'application sûre.

6Conclusion

En tant que fixations spéciales hautes performances adaptées à l'ingénierie moderne des structures en acier, le cisaillement de torsionboulons à haute résistance présentent des avantages exceptionnels, notamment une résistance élevée, une précharge précise, un assemblage efficace, de bonnes performances sismiques et une connexion fiable. Ils bénéficient de larges perspectives d’application dans les domaines des structures en acier tels que la construction, les ponts et les équipements haut de gamme. À l'heure actuelle, ce type de boulon présente encore des limites, notamment une faible adaptabilité aux conditions de travail extrêmes et un système structurel unique. À l'avenir, des recherches multidimensionnelles telles que le développement de matériaux spéciaux, l'optimisation de la conception structurelle et l'amélioration de la simulation numérique et des systèmes expérimentaux peuvent encore améliorer ses performances mécaniques et son adaptabilité environnementale, élargir son champ d'application, promouvoir la vulgarisation des boulons à haute résistance au cisaillement de torsion dans des scénarios d'ingénierie haut de gamme, complexes et extrêmes, et fournir un soutien solide pour le fonctionnement sûr et stable des projets de structure en acier.