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延长钢桥面板寿命新手段——疲劳裂纹气动冲击

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传统的钢桥面板疲劳裂纹维修技术存在工艺复杂、破坏结构等缺点，在实桥运用中存在较多裂纹二次扩展的现象。气动冲击技术，作为一种新型疲劳裂纹维修方法，具有便携高效、对母材破坏小等优点。通过设计钢桥面板典型构造细节的冲击维修试验，验证了气动冲击技术能够延缓疲劳裂纹的扩展速率，延长疲劳裂纹剩余寿命。经实桥应用及跟踪监测，气动冲击技术对钢桥面板疲劳裂纹具有显著维修效果。

什么是气动冲击

气动冲击维修技术，是利用气动工具的高速冲击使钢板表面产生明显塑性变形，从而达到钢材表面开口裂纹产生机械闭合的效果。同时引入残余压应力，抵消或部分消除焊接残余拉应力，从而改善开裂后的疲劳性能，起到补强开裂效果，如图1所示。从气动冲击后裂纹切面，可明显观测到气动冲击处理后裂纹开口部位的机械闭合现象，以及其有效的闭合深度。

图1 气动冲击维修示意

气动冲击维修设备包括空气压缩机、气动工具，如图2所示。气动冲击维修设备以压缩空气作为基本动力源，采用气动工具作为能量输出装置，冲击棒起到冲击力传递的作用。

图2 气动冲击维修设备

基于ABAQUS软件模拟气动冲击处理下裂纹开口部位的应力变化，采用二维板壳模型建立含裂纹的冲击头-靶材碰撞耦合模型，近似模拟气动冲击过程中的碰撞过程，模型见图3。

图3 冲击模型

图4（a）给出了模拟气动冲击后，裂纹开口部位两侧断裂面的应力分布情况。可以看出，通过冲击使裂纹闭合后，在其表面一定深度范围内存在有效压应力。

图4 裂纹开口闭合断面力学行为

利用ABAQUS的重启动功能对气动冲击后闭合的裂纹加载，以分析外荷载施加过程中裂纹开口闭合后的力学响应。图4（b）给出了不同应力幅下裂纹闭合面水平方向的应力响应情况。由此可知，当裂纹开口闭合后，在一定范围内的外荷载作用下，裂纹开口仍能保持有效闭合，而在高应力循环下服役时，则会导致闭合的裂纹重新张开。这表明，气动冲击处理后，引入的残余压应力能够显著降低引起裂纹扩展的有效应力幅，从而延缓裂纹扩展。

针对细节设计试验

在钢桥面板中，存在焊接缺陷或几何形状突变的焊接接头位置，是极易产生应力集中的部位，也是大多数疲劳裂纹的起源位置。其中，横隔板弧形缺口构造细节、顶板-U肋构造细节，是钢桥面板疲劳损伤的典型细节。针对典型细节，设计了相应局部试件的疲劳试验，及气动冲击维修试验，以评估气动冲击补强技术在不同构造细节的实施效果及适用性。

试验情况概述

试验加载装置采用小型振动疲劳试验机，即在转动轴两侧各置两枚偏心块，试验机启动时，偏心块在电动机带动下转动从而带动试件上下振动，实现对试件的弯曲疲劳加载，试验机工作原理图如图5所示。

图5 疲劳试验机工作原理

横隔板构造细节

在车轮荷载作用下，横隔板弧形缺口部位产生面外变形，引起弧形缺口焊缝处产生疲劳裂纹。针对这一疲劳细节，设计了9个相应的局部构件（SJ1-SJ9），如图6所示。其中，SJ1-SJ2不做维修处理，SJ3-SJ9采用气动冲击处理。对SJ1、SJ3-SJ6采用80MPa应力幅加载，对SJ2、SJ7-SJ9采用100MPa应力幅加载，当试件裂纹长度达到40~50mm时进行维修。需维修的试件疲劳试验分为两个阶段：第一阶段预制疲劳裂纹达到预期长度；第二阶段采用气动冲击法进行维修，维修后继续进行疲劳试验，直至裂纹继续扩展至规定长度后停止试验。同时在试件上粘贴应变片，记录维修前后的应力数据。

图6 横隔板弧形缺口局部细节试件

待维修试件疲劳裂纹扩展至40mm~60mm时，记录最终裂纹长度和对应的循环次数，停机并采用气动冲击维修，冲击示意及后处理见图7。维修后重新开始疲劳试验，并保持荷载不变继续加载，观察维修后疲劳裂纹表面情况，记录相应的裂纹扩展长度和加载次数。

文章来源：《农业工程技术》网址: http://www.gcjszzs.cn/zonghexinwen/2022/0209/2480.html