钢箱梁疲劳裂纹气动冲击法维修效果评估

刘嘉正,吉伯海,袁周致远,刘青茹

(河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098)

0 引言

对于大跨径钢桥而言,为减轻桥梁自重,主梁大多采用正交异性钢桥面板的构造形式,随着服役年限的增加,我国大跨径桥梁也不同程度地出现了疲劳开裂问题[1].为防止钢桥在运营期间产生结构性问题,必须对其产生疲劳裂纹的部位进行修复.目前针对钢桥面板疲劳裂纹的修复技术主要包括钻孔止裂、焊合修复、局部补强等[2-4].但上述方法在实桥应用时都具有一定的局限性,如存在截面损伤、施工质量难以把握等.

近年来,基于锤击原理的气动冲击维修技术得到了广泛的应用,该技术设备包括空气压缩机、气动工具和冲击头等[5-6].该技术利用冲击头的高速冲击,钢材表面产生明显的塑性变形,从而使裂纹开口表面闭合接触,并在周围引入较大的残余压应力.国内外学者对该维修技术展开了大量研究,研究方法主要以构件疲劳试验为主,结果表明,气动冲击维修能够延缓疲劳裂纹沿深度方向的扩展,相比于传统的修复措施,具有更好的修复效果,能够大幅提高疲劳剩余寿命[7-8].但试验受到边界条件和荷载模拟方式等因素的限制,难以模拟实际桥梁疲劳裂纹的受力特征,且总体上试验研究更多是从理想维修效果和维修工艺参数出发.而服役环境下实际桥梁疲劳裂纹主要以复合型裂纹为主,围绕复合型裂纹闭合修复效果、气动冲击维修技术的现场应用效果开展的研究较少,难以揭示闭合修复延缓复合型疲劳裂纹扩展的本质原因.因此,有必要针对实桥疲劳裂纹开展现场监测.

本研究通过实桥应力时程监测的方法,对比两种不同测量方法下裂纹尖端应力场特征,分析维修前后裂纹尖端应力的变化规律.通过对应力强度因子时程分析,明确裂纹扩展模式,给出裂纹尖端应力强度因子谱的特征,评价冲击裂纹闭合修复效果,为定性描述裂纹表面开口闭合提供参考.

1 现场试验方案

1.1 测点位置介绍

以某双塔悬索桥3/8跨附近钢箱梁上游侧某正交异性钢桥面板的过焊孔部位U肋焊缝裂纹为测试对象,如图1所示.该裂纹沿U肋母材分别向两侧扩展,横隔板两侧裂纹尖端的相对距离(有效裂纹长度)2a约为114 mm,考虑到裂纹表明平整度要求,选择图1所示的南侧裂纹尖端作为测点位置.

图1 现场的疲劳裂纹Fig.1 Fatigue crack in the field

1.2 测试流程

制定具体的测试流程以便对比分析维修前后裂纹尖端应力特征.首先采集维修前原始状态下裂纹尖端的应力场作为原始数据,实施气动冲击维修并对整个维修过程实时测量,维修结束后,继续采集维修后应力场数据.维修前后数据采集持续时间均为24 h.

1.3 应变测试方法

采用两种应力强度因子测量技术[9-10]对裂纹尖端的应力场和应力强度因子进行测量,对测量结果进行对比分析.采用磁粉探伤技术确定裂纹尖端的准确位置,并对局部进行打磨,去除原有表面防腐涂层.将应力强度因子片(简称KG,型号为SKF-3541)粘贴于裂纹尖端；采用BX120-3AA型号电阻应变片(简称SG),其中应变片SG1粘贴在裂纹尖端水平方向10 mm位置,用于测量裂纹尖端的剪切应力；TSG包括应变片SG2和SG3,分别粘贴在距离尖端法线方向7和21 mm位置,用于测量裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子以及反映裂纹尖端法线方向局部应力特征,并验证KG法的精度和适用性.采用uT7800动态应变采集仪采集数据,采样频率为512 Hz.采用温度补偿片考虑测试过程中温度的影响.应变片布置方式如图2所示,采集通道编号见表1.

图2 裂纹尖端应变片布置情况Fig.2 Layout of strain gauges at the crack tip

表1 采集通道编号Tab.1 Number of collection channels

1.4 气动冲击维修

气动冲击维修设备参数与文献[11]一致.对该裂纹进行气动冲击维修时,冲击头紧贴着裂纹开口部位缓慢移动,冲击移动速度控制在1 mm·s-1左右,确保表面产生足够塑性变形使裂纹开口表面产生闭合.裂纹尖端位置附近已经粘贴相关应变片,为了保护应变片,在南侧裂纹维修中的有效处理范围略小于实际裂纹长度；北侧裂纹则进行了全覆盖的处理,并且处理范围超过裂纹尖端约10 mm.

2 应变测试结果分析

2.1 裂纹尖端应力场特征

测试过程中存在轮载、风载、温度荷载、仪器采集噪音等客观因素,影响应力测试数据的准确性.为了避免此类干扰,在数据分析前对所采集的数据进行滤波以及移动平均降噪处理.对降噪后的数据进行对应的分析和提取,得到不同轴载作用下裂纹尖端的局部应力场.由于篇幅有限,选取六轴车分析应力场特征,如图3所示.可以看出,裂纹尖端的应力变化规律相似,且波峰和波谷的数量分别对应相应的轴数.裂纹尖端分布有一定大小的拉应力和剪应力,是Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹.

图3 六轴车应力时程Fig.3 Stress time history under six-axle vehicle

2.2 维修前后应力幅对比

以KG法测量的结果为研究对象,维修前后张拉和剪切应力幅变化如图4所示,其中,张拉应力幅以CH1通道数据为基础,剪切应力幅以CH2通道数据为基础.从图4中可以看出,在不同类型车辆作用下,维修后张拉应力幅得到了显著降低,表明气动冲击维修可以延缓Ⅰ型裂纹的扩展.维修后剪切应力幅也得到了明显的应力幅降低.由于测量误差、测点零漂等情况的存在,部分测点维修后的应力略大于原有应力,但从总体上来看,维修后的剪切应力得到了一定程度降低,从而表明气动冲击维修可以延缓复合型裂纹的扩展.

图4 应力幅对比Fig.4 Stress range comparing

3 应力强度因子分析

3.1 测量方法

对于TSG法,可由下式求出应力强度因子.其中,c1为Ⅰ型裂纹应力强度因子系数,计算方法见文献[9].

对于KG法,记通道CH1～CH4测得的应变值分别为ε1～ε4,在E=206 GPa且v=0.3的情况下,可由下式求得Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹应力强度因子KⅠ和KⅡ。其中,系数C1和C2的取值方法见文献[12].

3.2 测量结果对比

选取六轴车为研究对象,在图3的基础上,结合公式(1)和(2),得到如图5所示的应力强度因子近似值.由图5可以看出,对于Ⅰ型裂纹,采用KG法和TSG法得到的应力强度因子大小相似,且变化规律基本一致,这说明两种方法均能有效得出I型裂纹尖端应力强度因子.同时,不难看出波峰和波谷的数量也分别对应相应的轴数,这与应力时程的变化规律保持一致.对于Ⅱ型裂纹尖端应力强度因子,数值与Ⅰ型裂纹存在差异但变化规律相似.

对于Ⅰ型疲劳裂纹扩展而言,其仅在荷载的拉伸作用下(KⅠ＞0)会产生扩展；而对于Ⅱ型疲劳裂纹扩展而言,荷载的拉伸和剪切作用均会对裂纹的扩展产生影响.结合复合型裂纹扩展规律,在图5的基础上给出了如图6所示的等效应力强度因子幅Keq.从图6中可以看出KⅡ均大于KⅠ,说明在这条裂纹的扩展过程中剪切变形是主要的裂纹扩展模式,而张拉变形的影响相对较小.

图5 应力强度因子时程Fig.5 Time history of stress intensity factor

图6 等效应力强度因子大小Fig.6 Equivalent SIF values

图7 给出了维修前后等效应力强度因子Keq的变化情况.可以看出维修后裂纹尖端的等效应力强度因子得到了显著的降低,表明维修对于延缓裂纹扩展起到了显著效果.

图7 维修前后等效应力强度因子对比Fig.7 Comparison of equivalent SIF values before and after repairing

3.3 应力强度因子谱

采用雨流计数法,以KG法CH1通道和CH2通道测量结果为基础,对维修前后24 h内的应力时程进行处理,忽略10 MPa以下的应力幅,得到如图8所示的裂纹尖端疲劳应力谱.通过对比可以看出,维修后裂纹尖端高应力幅的循环次数显著降低,部分高应力幅消失,而低应力幅的循环次数则明显增加,维修前裂纹尖端高应力幅的循环特征得到明显改变,说明气动冲击维修对于延缓裂纹扩展、降低裂纹扩展速率具有显著的效果.

图8 应力谱对比Fig.8 Comparison of stress spectrum

由于随机车辆荷载作用下名义应力幅的大小难以确定,同时考虑到裂纹尖端局部应力场在维修后的变化,采用应力强度因子的外推公式[13],即

对裂纹尖端应力强度因子幅进行估算,根据裂纹尖端到KG电阻丝中心位置的距离,并结合图8数据,计算得到了如图9所示的维修前后应力强度因子谱.

图9 应力强度因子谱对比Fig.9 Spectrum comparison of SIF

4 结语

应变测试结果表明,该悬索桥正交异性钢桥面板过焊孔部位U肋焊缝裂纹既存在拉应力也存在剪应力,是典型的复合型裂纹.气动冲击维修后,裂纹尖端张拉应力幅和剪切应力幅均得到了降低,有效改善了裂纹尖端的受力条件,裂纹表面开口闭合起到了延缓复合型裂纹扩展的作用.应力强度因子谱分析表明,剪切变形对裂纹扩展起主导作用,裂纹表面开口闭合后,高应力强度因子幅的循环次数明显降低,而低应力强度因子幅的循环次数则明显增加,有效改善了原有裂纹尖端受力条件,气动冲击维修法对于延缓复合型裂纹扩展具有良好的效果.