钢桥疲劳裂纹钻孔止裂技术多孔布置方法研究

刘天笳,吉伯海,傅中秋,陈 祥

(河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210024)



钢桥疲劳裂纹钻孔止裂技术多孔布置方法研究

刘天笳,吉伯海,傅中秋,陈 祥

(河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210024)

文章考虑双孔和附加孔2种多止裂孔布置,对开裂模型进行线弹性有限元分析,通过对比不同布置下模型的应力集中系数,研究多孔布置对于钻孔止裂法的影响。结果表明:双孔布置对应力集中的降低作用不如单止裂孔,但它会对疲劳裂纹的开展起到持续的抑制作用,在不能精确定位裂纹尖端时可以作为一种有效的备用方法;合理布置附加孔的直径与位置可以加强止裂孔的止裂修复效果,附加孔直径越大,与裂纹线间的垂直距离越小,效果越好;附加孔的最佳位置位于止裂孔前方,距离为止裂孔直径的1/4。

钢桥;疲劳裂纹;止裂孔;多孔布置

0 引 言

钢桥凭借强度高、自重轻、施工方便等优点,成为大跨度桥梁的主要形式[1]。然而,由于超载现象、焊接缺陷等原因,钢桥容易产生疲劳破坏,历史上因钢桥疲劳问题导致的事故时有发生,我国已建成的钢桥中有些已经出现了疲劳裂纹[2]。在桥梁日常维护中,一旦发现疲劳裂纹,应立即采取止裂修复措施,以避免脆断事故的发生。

钻孔止裂法是当前钢桥疲劳开裂的主要维护方法之一[3]。这种方法通常是在裂纹尖端或尖端前方钻一个光滑圆孔[4],用以临时阻止裂纹的继续扩展,待时机成熟时再进行统一修复。与其他止裂修复方法相比,钻孔止裂法具有简单、经济、适用范围广的优点。

钻孔止裂法的关键在于去除裂纹尖端的应力集中区[5],因此现有研究通常假设止裂孔被打在裂纹尖端[6-8]。但在实际操作时,常常会由于不易准确辨认尖端位置或操作不精细而将止裂孔打偏,从而错过裂纹尖端,不能起到止裂修复的作用。多止裂孔布置可以避免定位裂纹尖端,规避这种风险。关于钻孔止裂技术的多孔布置方法,国内外相关研究成果不多,文献[9-10]的试验结果表明,双孔和多孔布置能够对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用,但没有给出止裂孔的最佳布置方案。因此,本文考虑双孔和附加孔2种多止裂孔布置,通过有限元分析,比较不同布置下止裂孔的止裂效果,找出合理的止裂孔多孔布置方法。

1 有限元分析模型

采用含有单边穿透裂纹的紧凑拉伸试验模型,在线弹性条件下进行分析,模型尺寸与有限元网格划分如图1所示。试件厚度为5 mm,裂纹长度为50 mm。材料的弹性模量E=206 GPa,泊松比ν=0.3。沿两圆孔施加荷载,加载合力P为1.25 kN,并约束圆孔在x方向的位移。由于所研究的问题具有对称性,取模型的1/2(图1a阴影部分)为研究对象。在线弹性分析中裂纹尖端具有奇异性,故在尖端附近区域选用奇异单元,其他区域选用8节点平面四边形单元PLANE183进行网格划分,共划分7 795个网格,23 725个节点(图1b)。

考虑3种不同的止裂孔布置方法,如图2所示。图2a为常见的单止裂孔布置,止裂孔被打在裂纹尖端,孔径为D1;图2b为双孔布置,在尖端附近打1对直径为D2的止裂孔,孔的中心距离裂纹尖端的水平、垂直距离分别为X、Y;图2c为多孔布置,实际上是图2a与图2b的叠加。

图1 开裂模型

图2 止裂孔布置

分析时,通过比较不同布置下模型的应力集中系数Kt评价其疲劳性能。Kt由(1)式给出,模型的最大应力σmax由有限元计算得到,模型的名义应力σnom由(2)式[5]得到:

(1)

(2)

其中,P为施加的载荷(1.25 kN);W、t分别为模型的有效宽度(100 mm)与厚度(5 mm);a为裂纹长度(50 mm)。根据(2)式计算得到该模型在1.25 kN载荷下的名义应力σnom=50 MPa。

2 计算结果分析

2.1 单孔布置

在裂纹尖端打不同孔径的单止裂孔,计算得到的应力集中系数见表1所列。

表1 不同孔径单止裂孔下模型的应力集中系数

由表1可以看出,钻止裂孔之后,模型的应力集中系数大幅下降,这是由于止裂孔的曲率小于原有裂纹尖端,去除了裂纹尖端的奇异点;止裂孔孔径越大,其曲率越小,打孔后模型的应力集中系数也越低,止裂效果越好。

由于止裂孔本身对截面的强度有削弱作用,止裂孔的直径不能无限增大。模型应力集中系数Kt与止裂孔直径D1的关系如图3所示。从图3可以看出,随着D1的增大,Kt的降低越来越缓慢,孔径增大带来的收益越来越低。考虑止裂效果与削弱作用的平衡,止裂孔直径不宜超过10 mm。

图3 模型应力集中系数与止裂孔直径关系

2.2 双孔布置

不同双孔布置下模型应力集中系数的计算结果如图4所示。Y=4 mm时不同直径止裂孔下模型的应力集中系数如图5所示。

图4中的高、低2条水平线分别表示不打止裂孔时与在裂纹尖端打单个直径D2的止裂孔时模型的应力集中系数(Kt0与Kt1)。从图4可以看出,当X从-4 mm变化到1 mm时,Kt先减小后增大,最小值均在X=-2 mm附近。总体上看,当X<0时,Kt0时,Kt>Kt0;Kt始终大于Kt1。因此,双孔布置在对应力集中的降低作用上与单孔布置相比并无优势,但在不能精确定位裂纹尖端时它依旧可以作为一种有效的替代方法:操作时,将双孔打在尖端前方,这时裂纹会加剧扩展。文献[11]的试验表明,在尖端前方打止裂孔时,裂纹有可能改变开展方向并与止裂孔汇合。若未发生汇合,则裂纹从双孔之间穿过后止裂孔将对它的扩展起到持续的抑制作用。而对于单孔布置,裂纹在孔边重新萌生后止裂孔就不再起作用。

图4 模型应力集中系数与双孔位置关系

图5 模型应力集中系数与双孔直径关系

考虑X<0时Y对双孔布置效果的影响,从图4可以得出,Y越小,Kt越小;从图5可以看出,X<0时孔径越大,Kt越小。因此,减小止裂孔与裂纹尖端间的垂直距离及增大孔径均能加强双孔布置的效果。

2.3 多孔布置

多孔布置下,裂纹尖端的止裂孔对止裂效果的影响与单孔布置类似,在此不再讨论,仅考虑剩下的1对止裂孔(文献[10]称其为附加孔)的影响。不同多孔布置下模型应力集中系数的计算结果如图6所示。尖端止裂孔的直径D1为4 mm,附加孔的直径D2分别为3、4、5 mm。图6中的水平线表示4 mm单止裂孔布置时模型的应力集中系数(Kt1)。

图6 模型应力集中系数与附加孔位置关系

从图6可知,随着X从-2 mm变化到4 mm,Kt同样先减小后增大;但当0

总体上看,Y越小,Kt越小,且这一效应在Kt的最低点最为显著。考虑附加孔直径的影响,在D1=4 mm、Y=5.5 mm时,不同直径附加孔下Kt如图7所示。

图7 模型应力集中系数与附加孔直径关系

从图7可知,D2越大,Kt越小。因此,减小附加孔与裂纹尖端间的垂直距离及增大附加孔孔径同样能加强多孔布置的效果。

当Y确定后,使Kt取得最小值的X即为附加孔的最佳位置,记为X0。在图6的9条曲线中,Kt的最小值都落在X=1 mm附近,说明Y和D2对X0没有影响。考虑尖端止裂孔直径D1对其的影响,D1、D2、Y不同布置下Kt随X的变化规律如图8所示。由图8可以看出,X0随着D1的增大而增大。一般地,可以把X0取为D1的1/4。

图8 附加孔最佳位置与止裂孔直径关系

2.4 不同布置的对比

为了综合对比上述3种止裂孔布置方法,考虑各种布置达到相同的止裂效果所需要的止裂孔大小。各种布置方法均考虑最优位置，具体如下:

双孔布置下,X=-2 mm,Y=(D2/2+1) mm。

多孔布置下,X=(D1/4) mm,Y=(D1/2+D2/2+1) mm。

止裂孔不同布置时的对比结果如下：

单孔布置下,D1=4 mm,Kt=1.95;双孔布置下,D2=7 mm,Kt=1.98;多孔布置下,D1=2 mm,D2=2.5 mm,Kt=1.99。

由以上分析可以看出,要使模型的应力集中系数降低到1.98左右(降低了45%),单孔布置下需要的止裂孔直径为4 mm；双孔布置下则需要更大的止裂孔,孔径约为单孔布置的1.75倍;而多孔布置下只需要1个直径2 mm的止裂孔外加1对直径2.5 mm的附加孔,止裂孔直径为单孔布置下的1/2。由于止裂孔越大,对截面强度的削弱作用越强,在实际操作时,可以根据截面强度并考虑辨认裂纹尖端的难易程度,选取合适的止裂孔布置方法。

3 结 论

(1) 在工程实际中不能精确定位裂纹尖端时,双孔布置可以作为一种有效的替代方法。尽管双孔布置在对应力集中的降低上与常见的单止裂孔相比并无优势,但能对疲劳裂纹的开展起到持续的抑制作用。

(2) 多孔布置中,合理布置附加孔可以加强止裂孔的止裂效果，附加孔与裂纹尖端间的垂直距离越小,它带来的优化效果越好;最佳水平距离为止裂孔直径的1/4,位于止裂孔前方。

(3) 无论是何种布置方法,止裂孔孔径越大,止裂效果越好,但止裂孔对截面强度的削弱也越严重。考虑止裂效果与削弱作用的平衡,止裂孔直径不宜超过10 mm。

[1] 程苗,吉伯海,傅中秋,等.钢箱梁疲劳裂纹安全性等级评价方法[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2013,32(增刊1):772-775.

[2] 王超,朱宏平,钟继卫.基于热点应力法的正交异性钢箱梁疲劳评估[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2014,37(4):449-452.

[3] 吉伯海.我国缆索支承桥梁钢箱梁疲劳损伤研究现状[J].河海大学学报(自然科学版),2014,42(5):410-415.

[4] 中国工程建设标准化协会.钢结构加固技术规范:CECS 77:96[S].北京:中国计划出版社,1996:36.

[5] 石川敏之,松本理佐,服部篤史,等.き裂表面閉口によるストップホール縁の応力集中の低減[J].材料,2013,62(1):33-38.

[6] MAKABE C,NAKA K,FERDOUS M S.Method of arresting crack growth for application at a narrow working space[J].Mechanical Engineering Journal,2014,1(6):1-12.

[7] AYATOLLAHI M R,RAZAVI S M J,CHAMANI H R.Fatigue life extension by crack repair using stop-hole technique under pure mode-Ⅰ and pure mode-Ⅱ loading conditions[J].Procedia Engineering,2014,74:18-21.

[8] FANNI M,FOUDA N,SHABARA M A N,et al.New crack stop hole shape using structural optimizing technique[J].Ain Shams Engineering Journal,2015,6(3):987-999.

[9] SHIN C S,WANG C M,SONG P S.Fatigue damage repair:a comparison of some possible methods[J].International Journal of Fatigue,1996,18(8):535-546.

[10] MURDANI A,MAKABE C,SAIMOTO A,et al.A crack-growth arresting technique in aluminum alloy[J].Engineering Failure Analysis,2008,15(4):302-310.

[11] MAKABE C,MURDANI A,KUNIYOSHI K,et al.Crack-growth arrest by redirecting crack growth by drilling stop holes and inserting pins into them[J].Engineering Failure Analysis,2009,16(1):475-483.

(责任编辑 张淑艳)

Research on multi-hole arrangement in stop-hole technology for retarding fatigue cracks in steel bridges

LIU Tianjia,JI Bohai,FU Zhongqiu,CHEN Xiang

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210024, China)

Two multi-hole arrangements, including double holes and additional holes, were discussed. The fracture model was analyzed by using finite element method. By comparing the stress concentration factor(SCF) of different models, the influence of multi-hole arrangements on the stop-hole technology was studied. The results show that the impact of double-hole arrangement on the reduction of SCF is smaller than that of single-hole arrangement. However, the double holes can provide continuous retardation on the crack propagation, which makes it an alternative method when the fatigue crack tip is not easily located. It is also shown that arranging the diameter and location of additional holes properly can make stop holes more effective. Bigger holes and closer distance to the crack tip can bring better results. The best location of additional holes isD/4 ahead of the crack tip.

steel bridge; fatigue crack; stop hole; multi-hole arrangement

2015-04-27；

2015-09-16

国家自然科学基金资助项目(51278166;51478163);江苏省交通科学研究计划资助项目(2013Y10-1)

刘天笳(1992-),男,江苏宜兴人,河海大学硕士生;

吉伯海(1966-),男,江苏扬州人,博士,河海大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.016

U441.4

A

1003-5060(2016)10-1376-05