Pesquisa sobre estrutura, desempenho, aplicação e tendência de desenvolvimento de parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência

1 Introdução

Os parafusos são os fixadores mais utilizados em estruturas de engenharia, que determinam diretamente a estabilidade da conexão e a segurança geral das estruturas de aço em edifícios, pontes e máquinas. Como um novo tipo de montagemfixador de alta resistência, os parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência têm vantagens notáveis, como construção conveniente, força de pré-aperto precisa, conexão uniforme e excelente desempenho sísmico. Eles têm sido amplamente adotados e estudados em diversos projetos de estruturas metálicas, servindo como componentes centrais para ligações em modernos edifícios pré-fabricados e estruturas pesadas. Este artigo descreve sistematicamente a configuração estrutural, o princípio de funcionamento e as principais propriedades mecânicas dos parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência, classifica seus cenários de aplicação de engenharia e analisa suas tendências futuras de pesquisa e desenvolvimento de aplicações combinadas com o status industrial atual.

2 Estrutura e Princípio de Funcionamento de Parafusos de Alta Resistência ao Cisalhamento Torcional

Um parafuso de cisalhamento torcional de alta resistência consiste em uma haste de parafuso, uma porca especial, arruelas, uma ranhura de cisalhamento torcional na cauda, ​​uma cabeça de acionamento em flor de ameixa e um pescoço de cisalhamento. Comparado com os parafusos tradicionais de alta resistência, possui uma estrutura dedicada. Sua principal característica estrutural é um pescoço de cisalhamento precisamente reduzido e uma extremidade motriz em flor de ameixa usinada na cauda do parafuso, que realiza um aperto final controlado por torque e uma pré-carga precisa.

Seu princípio de funcionamento construtivo difere do mecanismo de dissipação de energia via deformação por cisalhamento torcional de parafusos comuns. Durante a instalação, é utilizada uma chave de cisalhamento torcional especial; as mangas interna e externa prendem a cabeça em flor de ameixa na cauda do parafuso e na porca, respectivamente, para aplicar torque de forma síncrona. À medida que a porca é apertada continuamente, a força de pré-aperto do parafuso aumenta continuamente. Quando a força de pré-aperto atinge o valor padrão projetado, a força de cisalhamento suportada pelo pescoço de cisalhamento na cauda do parafuso atinge seu limite, e a cabeça em flor de ameixa na cauda será cortada automaticamente para finalizar a construção. Esta estrutura pode controlar com precisão a força de pré-aperto do parafuso e evitar afrouxamento da conexão, pré-carga insuficiente ou danos por aperto excessivo causados ​​por desvio de torque manual, alcançando uma montagem padronizada e de alta precisão.

3 Desempenho central de parafusos de alta resistência de cisalhamento torcional

3.1 Desempenho Mecânico de Alta Resistência

Os parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência são fabricados principalmente em liga de aço estrutural de alta qualidade por meio de tratamento térmico de têmpera e revenido, com um grau de resistência comum de 10,9. Possuem excelentes propriedades mecânicas de tração, cisalhamento e compressão. Em comparação com os parafusos comuns, sua resistência ao escoamento, resistência à tração e resistência à fadiga são bastante melhoradas. Eles podem suportar condições de trabalho de longo prazo com grandes cargas e altas tensões em estruturas de aço, atendendo plenamente aos requisitos de projeto de conexão de alta resistência de edifícios altos, pontes de longo vão e estruturas de aço pesadas, e oferecendo maior estabilidade de carga estrutural.

3.2 Bom Desempenho Sísmico e Estabilidade Estrutural

Parafusos de cisalhamento torcional de alta resistênciaobtenha contato firme por meio de força de pré-aperto precisa e uniforme com folgas mínimas nas superfícies de contato. Eles podem efetivamente restringir o deslizamento e o afrouxamento de conexões estruturais sob vibração e cargas alternadas. Sob cargas externas alternadas, como terremotos e forças do vento, a conexão aparafusada suporta tensões uniformes, o que pode efetivamente distribuir e transferir tensões estruturais, reduzir a concentração de tensões locais, diminuir o risco de deformação estrutural e falha de conexão e melhorar significativamente o desempenho sísmico geral e a durabilidade da fadiga das estruturas de aço.

4 aplicações de engenharia de parafusos de alta resistência de cisalhamento torcional

Beneficiando-se de alta precisão de montagem, rápida velocidade de construção, conexão confiável e bom desempenho sísmico, os parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência são amplamente utilizados em posições-chave de conexão de várias estruturas de aço. No setor da construção, são utilizados principalmente para ligações de estruturas de aço de edifícios altos e super altos e juntas de vigas de aço pré-fabricadas. Na engenharia de transportes, eles são amplamente aplicados em pontes de aço de longo vão, estruturas de suporte de pontes e conexões de aço de passarelas. Além disso, são adequados para máquinas de engenharia, estruturas de ferramentas aeroespaciais, suportes de aço para equipamentos de grande porte e outros cenários que exigem alta precisão de conexão e segurança. Esses parafusos podem efetivamente garantir a estabilidade, segurança e durabilidade da estrutura geral e atender aos requisitos de construção de projetos modernos de estruturas de aço de alto padrão.

5 direções futuras de desenvolvimento de parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência

5.1 Pesquisa e Desenvolvimento de Materiais Especiais de Alto Desempenho

Pesquisas futuras podem se concentrar no desenvolvimento e aplicação de novos materiais de ligas especiais de alta resistência, alta tenacidade e resistentes à corrosão, e otimizar os processos de tratamento térmico do aço. Isso melhora ainda mais o grau de resistência do parafuso, a tenacidade a baixas temperaturas, a resistência à corrosão e a resistência à fadiga para se adaptar a condições de engenharia extremamente severas, como névoa salina marinha, baixa temperatura fria e corrosão química, expandindo seu escopo de aplicação em cenários especiais.

5.2 Otimização do Projeto Estrutural

Combinado com as características reais de tensão na engenharia, otimize o projeto dimensional do pescoço de cisalhamento, do perfil da rosca e da estrutura da haste para melhorar ainda mais a precisão da força de pré-aperto e a estabilidade de torque da estrutura. Enquanto isso, otimize o sistema de correspondência de produtos, desenvolva novas estruturas de parafusos de cisalhamento torcional adaptadas a estruturas de formatos especiais, espaços estreitos e condições de trabalho de carga pesada, e melhore a versatilidade e adaptabilidade do produto.

5.3 Pesquisa aprofundada sobre simulação numérica e experimentos

Com tecnologia de simulação numérica de elementos finitos combinada com testes de carga estática, carga de fadiga e impacto sísmico, estuda sistematicamente a resposta mecânica, mecanismo de falha e lei de deformação de parafusos de cisalhamento torcional de alta resistência sob cargas complexas, vibração alternada e temperaturas extremas. Melhorar seu sistema teórico de tensão e fornecer bases teóricas e experimentais mais científicas e precisas para projetos de engenharia, otimização de especificações de construção e aplicação segura.

6 Conclusão

Como fixadores especiais de alto desempenho adequados para a engenharia moderna de estruturas de aço,parafusos de alta resistência têm excelentes vantagens, incluindo alta resistência, pré-carga precisa, montagem eficiente, bom desempenho sísmico e conexão confiável. Eles desfrutam de amplas perspectivas de aplicação em áreas de estrutura de aço, como construção, pontes e equipamentos de última geração. Actualmente, este tipo de parafuso ainda apresenta limitações, incluindo fraca adaptabilidade a condições extremas de trabalho e sistema estrutural único. No futuro, pesquisas multidimensionais, como desenvolvimento de materiais especiais, otimização de projeto estrutural e melhoria de simulação numérica e sistemas experimentais, podem melhorar ainda mais seu desempenho mecânico e adaptabilidade ambiental, expandir seu escopo de aplicação, promover a popularização de parafusos de alta resistência de cisalhamento torcional em cenários de engenharia sofisticados, complexos e extremos, e fornecer suporte sólido para a operação segura e estável de projetos de estruturas de aço.