延长钢桥面板寿命新手段——疲劳裂纹气动冲击(2) - 农业工程技术杂志社投稿

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延长钢桥面板寿命新手段——疲劳裂纹气动冲击(2)

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图7 横隔板弧形缺口裂纹冲击维修

图8给出了SJ1和SJ3裂纹扩展情况，其中SJ1未经维修处理，SJ3在裂纹达到60mm左右时进行气动冲击处理。由图8可知，在冲击覆盖区域内，维修后的裂纹扩展速率明显降低，在120万次的循环作用下仅扩展约10mm；当裂纹重新扩展至冲击覆盖区外，裂纹扩展速率与维修前的裂纹扩展速率相当。这说明，经过气动冲击处理后，裂纹的扩展产生了迟滞效应，冲击使开裂截面重新恢复受力，裂纹尖端应力集中现象得到改善，试件疲劳寿命得到显著提升。

图8 SJ1与SJ3裂纹扩展速率对比

图9为部分横隔板试件在维修前后的应力数据对比。如图可见，由于裂纹尖端奇异性的影响，维修前该处测点的应力数据较大，均能达到800MPa以上。冲击维修后，全部测点的应力数据均得到大幅下降，至200MPa左右。这表明由于气动冲击作用导致横隔板承载截面发生变化，使裂纹区域应力重新分布，围焊端部等断裂区域重新承载，应力幅增大，从而导致原应力集中区域的应力幅下降。总体来看，可以认为采用气动冲击维修后，裂纹面发生闭合，使得裂纹面产生“缝合”作用，开裂部位的截面在裂纹强制闭合作用下，具有了一定的承载能力，从而使得试件整体表面平均应力幅有所降低，局部区域得到“补强”。

图9 横隔板试件维修前后应力对比

顶板- U肋构造细节

顶板-U肋焊缝部位构造复杂，是钢桥面板典型的疲劳细节，在车辆荷载作用下，会产生面外变形从而引起疲劳裂纹的产生。为验证气动冲击技术对这一细节的维修效果，设计了2个顶板-U肋试件（记为SJ1、SJ2），详细尺寸及加载示意见图10。

图10 顶板-U肋试件尺寸及加载

在进行冲击修复前，需对顶板-U肋试件进行裂纹预制，见图10（a）。在两个试件的焊根中部人工制作一个初始缺陷并进行加载，使疲劳裂纹从焊根缺陷处萌生，记录裂纹长度及对应的循环加载次数。SJ1的最终预制疲劳裂纹长度为118mm，SJ2的最终预制疲劳裂纹长度为104mm。并在裂纹计划修复的区域对称设置应力测点，实时采集应变片数据。

对SJ1和SJ2的疲劳裂纹进行两道气动冲击处理，见图11。处理后的区域出现明显凹陷，原裂纹表面光滑且有明显金属光泽，这表明气动冲击处理使裂纹表面的钢材产生了明显的塑性流动。对冲击处理后的两个试件重新加载，冲击修复区域的两侧会萌生新的疲劳裂纹，记录新裂纹的扩展速率及相应循环次数。

图11 顶板-U肋试件气动冲击处理

图12为SJ1、SJ2修复前后原裂纹及新裂纹的扩展速率曲线。由图可知，两个试件原裂纹扩展曲线存在明显转折点，新裂纹的扩展速率远小于修复前的扩展速率；新萌生裂纹的扩展速率小于原裂纹的扩展速率，且相同扩展长度下，新裂纹对应的循环次数大于原裂纹的循环次数。这说明，气动冲击处理可显著减缓原裂纹的扩展速率，且能够有效减缓新裂纹的扩展，提高疲劳寿命。

图12 顶板-U肋试件疲劳裂纹扩展速率曲线

采用相应测点的应力幅变化见图13。SJ1原裂纹扩展至118mm时，名义应力幅下降了15.51MPa；较长的新疲劳裂纹扩展至17mm时，名义应力幅下降了21.86MPa。说明气动冲击修复后，新裂纹附近名义应力测点应力幅下降速度更为显著。这表明，由于新旧裂纹的同时扩展，使测点的弹性变形减小更为明显。图13（b）中，修复后的初始名义应力幅值大于修复前，即修复后测点的弹性变形较大，表明气动冲击处理使原裂纹表面重新结合在一起，形成了共同受力结构。气动冲击修复后，新裂纹附近名义应力测点的应力降幅明显大于修复前，与SJ1相一致。

图13 顶板-U肋试件修复前后名义应力幅对比

从实践中完善理论

目前，针对气动冲击维修技术的研究，均是从理论角度出发，同时结合局部构造试验进行。然而，实际桥梁结构中，裂纹尖端受力复杂，室内试验难以模拟出真实荷载作用下的裂尖应力响应。因此，针对某千米级跨江悬索钢箱梁桥进行实桥裂纹气动冲击现场维修和检测，并对裂纹进行跟踪监测，对实践效果进行分析。

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