正交异性钢桥面板疲劳裂纹锤击闭合修复试验

（河海大学土木与交通学院，江苏南京210098）

正交异性钢桥面板疲劳裂纹锤击闭合修复试验

王秋东，吉伯海，袁周致远，叶 枝，傅中秋

（河海大学土木与交通学院，江苏南京210098）

针对正交异性钢桥面板顶板与U肋连接焊缝疲劳构造细节，选取了3个已有焊根疲劳裂纹的局部足尺试件（ICR 1，ICR 2和DB 1）作为研究对象，对ICR 1和ICR 2进行裂纹锤击闭合处理（ICR处理）及维护后疲劳加载.对DB 1的一半疲劳裂纹进行ICR处理，并沿垂直裂纹方向切开，获取原始裂纹断面及锤击后裂纹断面，采用金相显微镜对锤击深度、浅层组织金相等进行分析.研究结果表明：ICR处理可大幅提高原始裂纹的扩展寿命；在ICR处理区域两侧均会萌生新的疲劳裂纹，新裂纹的扩展寿命大于原始裂纹；ICR处理后，原始裂纹开口得到了较好的闭合，重新形成共同受力的结构；ICR处理可使试件表面母材发生明显的塑性流动，产生偏向于焊根、沿板厚方向的挤压效果.

正交异性钢桥面板；疲劳裂纹；锤击闭合处理；扩展断面；扩展寿命；塑性变形

正交异性钢桥面板因具有自重轻、强度高、稳定性好、制作施工方便等优点，在大跨径缆索体系桥梁中得到了广泛运用［1］.但其构造复杂，各部件多采用焊接连接，生产过程中易产生焊接缺陷.随着桥梁服役年限的增加，在焊接缺陷、车辆荷载、桥位环境、施工质量及早期设计对正交异性桥面板裂纹萌生机理认识不足等综合影响下，桥梁结构逐渐呈现出铺装层破坏、局部腐蚀、疲劳裂纹等［2］病害.

自英国Severn桥的钢桥面板出现疲劳开裂以来，国内外学者针对疲劳开裂展开了大量的研究，提出有止裂孔法、裂纹焊合法、钢板补强法等常见的疲劳裂纹维护方法［3－4］.近年有学者提出了裂纹锤击闭合处理技术（impact crack closure retrofit，ICR），其基本原理是利用气动工具高速冲击后产生的塑性变形使开口的裂纹产生闭合，同时引入残余压应力改善裂纹表面的受力状况［5－6］.文献［7］研究表明，ICR处理能使疲劳裂纹产生有效的闭合，延缓裂纹的进一步扩展，有效提高构件的疲劳寿命.文献［8－9］进行了顶板与竖向加劲肋试件的ICR试验，研究结果表明该方法可显著提升已有裂纹试件的疲劳寿命，起到较好的维护效果.

目前，国内ICR技术的研究尚处于起步阶段，且正交异性钢桥面板具有较多的易疲劳细节.为此本研究针对正交异性钢桥面板的顶板与U肋连接焊缝疲劳细节，选取前期疲劳试验中已有焊根疲劳裂纹的试件作为研究对象，采用ICR技术对焊根疲劳裂纹进行维护，并开展维护后疲劳试验，分别从裂纹扩展寿命、剩余疲劳寿命、裂纹微观闭合情况等角度对ICR技术的维护效果进行初步评价.

1 试验概况

1.1 试 件

本研究所用试件为钢箱梁顶板与U肋疲劳细节局部试件，试件及主要几何参数如图1所示［10］.试验选取了3个已有焊根疲劳裂纹（原始裂纹）的试件，分别记为ICR 1，ICR 2和DB 1，原始裂纹位置如图1a所示.试件制作采用Q345qD桥梁用钢，焊接工艺为CO2气体保护焊，焊缝熔透率100%.试件分组及原始裂纹情况见表1.原始裂纹由前期疲劳试验得到，前期疲劳试验的疲劳加载应力幅为80 MPa.ICR 1和ICR 2先后进行ICR处理及维护后疲劳加载，DB 1仅进行ICR处理，且在维护后沿垂直于焊缝方向切开，观察ICR处理后的裂纹闭合情况.

表1 试件分组及原始裂纹情况

1.2 ICR处理试验

1.2.1 处理设备

ICR处理设备主要由空气压缩机和锤击作动头组成.试验时控制空气压缩机的气压为0.8 MPa，选用作动头端部的尺寸为4 mm×5 mm，锤击频率为90 Hz.操作时使作动头端部紧贴待锤击区域，沿焊根裂纹方向先后进行两道ICR处理，直至裂纹表面完全闭合.

1.2.2 部分U肋切除影响分析

试件原始疲劳裂纹位于焊根位置，由于锤击作动头长度有限，在U肋的遮挡下无法对焊根裂纹进行有效地锤击处理.采取切除2／3肋板的处理方法，即仅保留原U肋的1／3.为分析切除肋板对疲劳试验中试件焊根处应力分布的影响，采用ANSYS软件分别建立如图2所示的完整试件模型和切除肋板试件模型，施加等效荷载，并分析焊根处应力分布情况.模型单元为SOLID186，焊缝区域进行网格细化，其他区域采用较粗网格进行划分.模型边界条件与实际疲劳试验一致，试件一端为固定端，另一端为自由端.考虑到本次建模目的是分析切除肋板前后焊跟的应力变化，采用静载（面荷载）施加于实际疲劳荷载作用位置，荷载0.74 N·mm－2.将实际试验中的疲劳荷载简化为面荷载，根据疲劳试验机与试件的接触位置在模型中建立接触面，并施加静力荷载.

图2 有限元模型

将焊根进行300等分得到301个采集点，提取每一个采集点的应力，得到焊根应力分布曲线，如图3所示.

图3 焊根应力分布曲线

由图3可知，完整试件模型焊根处应力分布曲线近似为抛物线，切除肋板试件模型焊根处应力分布曲线近似为π形，总体上两者均呈现出两边应力小、中间应力大的分布特点，差别不大.表2为两个试件焊根处的应力极值比较.由表2可知，其最大值与最小值之差均在5 MPa以内，相差不大，表明切除试件肋板这一试验方案是可行的.

表2 不同工况试件焊根极值应力比较 MPa

1.2.3 ICR处理

切除各试件的2／3肋板，然后采用ICR试验装置沿裂纹纵向先后进行两道ICR处理，作动头锤击的起点和终点位置距离原始裂纹尖端的距离为10 mm，形成长度分别为138，124 mm的ICR修复区域.ICR处理步骤及两道ICR处理后试件焊根处的情况如图4所示.ICR处理过程中出现了金属碎屑飞溅的情况，且ICR修复区域产生了明显的凹陷痕迹，初步表明ICR处理使原始裂纹表面的钢材产生了塑性流动.

图4 ICR处理示意图

1.3 维护后疲劳加载

采用振动型疲劳试验机对ICR处理后的试件进行疲劳加载，ICR 1和ICR 2的加载频率与原始试件保持一致，分别为15.3 Hz和15.7 Hz，对应于原始试件80 MPa的疲劳加载应力.应变片粘贴位置如图5所示.疲劳加载情况如图6所示.

图5 应变片粘贴示意（单位：mm）

图6 疲劳加载情况

试验过程中，采用动态气泡指示法辅助观察裂纹扩展情况，记录裂纹的扩展长度及对应的加载循环次数.为分析裂纹扩展过程中焊根处应力变化情况，在ICR修复区域两侧对称设置两组热点应力测点及两组名义应力测点，其距离ICR修复区域边缘的距离分别为5.0，10.0 mm.热点应力测点采用三点外推法布置，应变片距离焊根处5.6，12.6，19.6 mm，名义应力测点距离焊根处5.0 mm.

2 结果与分析

2.1 裂纹扩展断面

疲劳加载过程中ICR 1，ICR 2在ICR处理区域两侧均萌生了新疲劳裂纹，因此选取ICR 1，采用机械切割的方法沿焊根切割至距离新裂纹尖端10 mm处，再采用液压千斤顶将其沿焊根处折断，获得ICR 1和ICR 2的裂纹扩展断面，如图7所示.

图7 裂纹扩展断面

由图7可知，疲劳加载过程中原始裂纹发生了二次扩展，但原始裂纹断面的轮廓线存在一个突变点，表明ICR处理后，原始裂纹的再次扩展速率发生了较大变化.新裂纹扩展区并未呈现明显的半椭圆形特点，而是在靠近ICR处理区域一侧存在明显的挤压区，且挤压区的新裂纹断面轮廓线的曲率显著大于另一侧，即新疲劳裂纹向ICR处理区域一侧的扩展受到了阻碍，这可能是由于ICR处理在锤击区域表面引入的残余压应力延缓了新裂纹向该区域的扩展.

2.2 裂纹扩展寿命

由于顶板与竖向加劲肋试件ICR处理后的疲劳加载中，仅原始裂纹再次发生了扩展［9］，因此，在初次进行ICR 1的ICR试验时，并没有重点观察ICR处理区两侧的裂纹扩展情况，且ICR 1修复区右侧的新裂纹扩展现象不明显，裂纹扩展长度未作记录.ICR 1和ICR 2的裂纹扩展情况如图8所示.

图8 裂纹扩展寿命曲线

由图8可知，ICR处理前后的原始裂纹扩展曲线存在一个明显的突变点，突变点右侧的裂纹扩展曲线接近于水平发展，即ICR处理后原始疲劳裂纹几乎没有发生扩展，表明ICR处理起到了延缓原始裂纹扩展的作用，ICR处理后原始裂纹的扩展寿命得到了大幅提高.此外，ICR处理区域两侧的新疲劳裂纹扩展曲线的斜率小于相同长度下原始裂纹扩展曲线的斜率，这是由于ICR处理引入的残余压应力等因素延缓了新疲劳裂纹向ICR处理区域的扩展.

2.3 测点应力变化

热点应力的计算采用三点外推法，即

式中：σhs为采用三点二次外推法计算出的应力；σ0.4t，σ0.9t和σ1.4t分别为距离焊跟0.4t，0.9t和1.4t处的应力，t为试件顶板的厚度，取14 mm.ICR 1，ICR 2的名义应力变化曲线、热点应力变化曲线如图9所示.

新疲劳裂纹萌生于名义应力测点对应的焊根位置，由图9a中可以看出，裂纹萌生后相应的名义应力逐渐降低，表明该位置的局部疲劳性能逐渐下降.随着新疲劳裂纹的萌生，相应的热点应力也逐渐下降，且热点应力曲线的变化趋势与名义应力基本一致，如图9b所示.此外，ICR 1，ICR 2的名义应力初值均位于80～90 MPa，即相同加载频率下，ICR处理后试件的名义应力与原始试件基本一致，表明ICR处理使裂纹产生了有效闭合，重新形成了共同受力的结构.

图9 测点应力变化曲线

3 微观金相分析

3.1 锤击深度

采用金相显微镜及配套软件获取试件锤击表面的图像，以测量ICR的锤击深度，如图10所示，其中第1道ICR处理紧贴焊根位置，锤击面与试件顶板表面呈一定角度，测量锤击深度时缺乏合理的参照面，因此仅获取部分区域示意.由图10可知，ICR处理使锤击区域材料产生了明显的挤压效果，部分区域锤击深度可达0.41 mm，由此表明ICR处理在锤击区域引入了一定程度的残余压应力，从而改善了锤击部位的应力状态.

图10 锤击深度

3.2 裂纹微观断面

对试件DB 1的一半疲劳裂纹进行了ICR修复试验，另一半疲劳裂纹未作处理.沿垂直于ICR修复区域和非ICR修复区域疲劳裂纹的方向进行切割，将得到的两个断面进行打磨处理，并采用奥林巴斯金相显微镜的5倍物镜对疲劳裂纹进行观察，用配套的软件获取靠近试件表面的疲劳裂纹图像.两断面裂纹宽度变化情况如图11所示.

图11 裂纹微观断面

将图11a，b中的裂纹沿板厚方向5等分，采用配套的金相软件测量等分点的裂纹宽度，并取其平均值，得到原始裂纹的宽度均值为32.5μm.ICR处理后，裂纹宽度均值为12.3μm，较前者降低了约62.2%，表明ICR处理使裂纹产生了一定的闭合.非修复区裂纹开口呈倒L形，而修复区裂纹开口呈咬合形，即修复区裂纹开口位置产生了一定的偏移，表明ICR处理使裂纹外侧的钢材向焊根位置产生了一定程度的挤压效果.同法获取裂纹闭合过渡段的宽度如图11c所示.等分点处的裂纹宽度依次为10.5，16.8，25.1，34.6和44.0μm，表征了ICR处理效果随裂纹深度变化而逐渐减小.图11b中裂纹开口处并没有形成一个整体，可能是由于在焊根处切割产生较大拉应力，导致已闭合的裂纹再次张开.

3.3 锤击区域金相

对金相试件表面进行的打磨抛光处理，然后采用硝酸酒精溶液进行腐蚀，10 s后用清水冲洗腐蚀断面，并放于金相显微镜下观察，如图12所示.

采用50倍物镜对未处理区域、ICR锤击区域的表面附近区域进行观察，获取相应区域的局部金相图片.由图12a，b可知，未处理表面的金相组织为典型的热轧钢组织形态，而锤击表面的珠光体、铁素体则产生了不同程度的压缩.图12c为5倍物镜下的宏观金相.由图12c可知，锤击处理后，试件表面附近的金相组织呈现出明显的分层现象：试件表层为ICR锤击直接作用区域，该区域金相组织纹理走向基本垂直于锤击方向；中部区域为过渡区，该区域金相组织既存在纹理状分布，也存在颗粒状分布；最下层为无影响区，由于锤击能量传递深度有限，该区域金相组织未发生变化，仍为典型的颗粒状分布.

图12 金相分析

4 结 论

1）针对钢桥面板与U肋对接焊缝焊根的疲劳裂纹，进行了ICR维护试验.结果表明：ICR处理后焊根原始裂纹的扩展寿命得到大幅提高；在ICR处理区域两侧均会萌生新疲劳裂纹，新裂纹扩展寿命大于相同长度下原始裂纹的扩展寿命.

2）相同加载频率下，ICR 1和ICR 2的名义应力初值与原始试件基本一致，表明ICR处理使原始裂纹产生闭合，闭合的疲劳裂纹较好传递疲劳荷载.

3）ICR处理区域存在明显的锤击塑性变形，维护后，原始裂纹开口位置向焊根一侧偏移，且在锤击浅层区域形成了垂直于锤击方向的压缩状组织纹理，表明ICR处理可使试件表面母材发生明显的塑性流动，产生偏向于焊根、沿板厚方向的挤压效果.

（References）

［1］ 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.JIB H.Current status of research on fatigue damage in steel box girder of cable supported bridge in China［J］.Journal of Hohai University（Natural Science Edition），2014，42（5）：410－415.（in Chinese）

［2］ XIE F X，JIB H，YUANZHOU Z Y，et al.Ultrasonic detectingmethod and repair technology based on fatigue crack features in steel box girder［J］.Journal of Per formance of Constructed Facilities，2016，30（2）：04015006.

［3］ ELJKO D.Comparison of fatigue crack retardation methods［J］.Engineering Failure Analysis，1996，3（2）：137－147.

［4］ 吉伯海，袁周致远，刘天笳，等.钢箱梁疲劳裂纹钻孔止裂修复的影响因素［J］.江苏大学学报（自然科学版），2016，37（1）：97－102.JIB H，YUANZHOU Z Y，LIU T J，et al.Influencing factors of stop holemethod for fatigue crack of steel box girder［J］.Journal of Jiangsu University（Natural Science Edition），2016，37（1）：97－102.（in Chinese）

［5］ ISHIKAWA T，SHIMIZU M，TOMO H，et al.Effect of compression overload on fatigue strength improved by ICR treatment［J］.International Journal of Steel Struc tures，2013，13（1）：175－181.

［6］ ISHIKAWA T，YAMADA K，KAKIICHIT，et al.Ex tending fatigue life of cracked out of plane gussetby ICR treatment［J］.Journal of Structural and Earthquake En gineering，2010，66（2）：264－272.

［7］ YAMADA K，ISHIKAWA T，KAKIICHIT.Rehabilita tion and improvement of fatigue life of welded joints by ICR treatment［J］.Advanced Steel Construction，2015，11（3）：294－304.

［8］ YUANZHOU Z Y，JIB H，FU ZQ，et al.Local stress variation in welded joints by ICR treatment［J］.Journal of Constructional Steel Research，2016，120：45－51.

［9］ YUANZHOU ZY，JIB H，FU ZQ，etal.Fatigue per formance of cracked rib deck welded joint retrofitted by ICR technique［J］.International Journal of Steel Struc tures，2016，16（3）：1－8.

［10］ FU Z Q，JI B H，ZHANG C Y，et al.Experimental study on the fatigue performance of roof and U rib welds of orthotropic steel bridge decks［J］.Journal of Civil Engineering，2017（3）：1－9.

ICR treatment experiment for fatigue cracks of orthotropic steel bridge deck

WANGQiudong，JIBohai，YUANZHOU Zhiyuan，YE Zhi，FU Zhongqiu
（College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Three local full scale specimenswith fatigue cracks on weld root of ICR 1，ICR 2 and DB 1 were investigated for the deck U rib weld of orthotropic steel bridge deck.The fatigue loading after impact crack closure retrofit treatment（ICR treatment）was conducted on ICR 1 and ICR 2.The half fatigue crackswere processed by ICR treatment，and the specimen was cut along the direction vertical to crack propagation to obtain the initial crack section and the section after treatment.The treatment depth and the superficial tissue were analyzed by themetalloscope.The results show that the propagation life of initial cracks is sharply increased after ICR processing.New fatigue cracks generate in both sides of areas processed by ICR，and the propagation life of new cracks is greater than that of initial cracks.The initial cracks are closed well and bear force with basemetal as a whole structure after ICR treatment.The ICR treatment can lead to apparent plastic flow of superficial base metal，where the compression generates towards the weld root and deck thickness.

orthotropic steel bridge deck；fatigue crack；impact crack closure retrofit；extension section；extension life；plastic deformation

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.016

U443.32

A

1671－7775（2018）01－0096－06

王秋东，吉伯海，袁周致远，等.正交异性钢桥面板疲劳裂纹锤击闭合修复试验［J］.江苏大学学报（自然科学版），2018，39（1）：96－101.

2016－10－10

国家自然科学基金面上资助项目（51478163）；江苏省交通科学研究计划项目（2013Y10－1，2014Y02）

王秋东（1993—），男，安徽滁州人，博士研究生（qiudongw＠outlook.com），主要从事钢桥疲劳与维护研究.吉伯海（1966—），男，江苏扬州人，教授（hhbhji＠163.com），主要从事钢桥疲劳与维护研究.

（责任编辑 赵 鸥）