鋼橋疲勞裂紋鉆孔止裂技術(shù)多孔布置方法研究

劉天笳,吉伯海,傅中秋,陳 祥

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210024)

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鋼橋疲勞裂紋鉆孔止裂技術(shù)多孔布置方法研究

劉天笳,吉伯海,傅中秋,陳 祥

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210024)

文章考慮雙孔和附加孔2種多止裂孔布置,對(duì)開裂模型進(jìn)行線彈性有限元分析,通過(guò)對(duì)比不同布置下模型的應(yīng)力集中系數(shù),研究多孔布置對(duì)于鉆孔止裂法的影響。結(jié)果表明:雙孔布置對(duì)應(yīng)力集中的降低作用不如單止裂孔,但它會(huì)對(duì)疲勞裂紋的開展起到持續(xù)的抑制作用,在不能精確定位裂紋尖端時(shí)可以作為一種有效的備用方法;合理布置附加孔的直徑與位置可以加強(qiáng)止裂孔的止裂修復(fù)效果,附加孔直徑越大,與裂紋線間的垂直距離越小,效果越好;附加孔的最佳位置位于止裂孔前方,距離為止裂孔直徑的1/4。

鋼橋;疲勞裂紋;止裂孔;多孔布置

0 引 言

鋼橋憑借強(qiáng)度高、自重輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn),成為大跨度橋梁的主要形式[1]。然而,由于超載現(xiàn)象、焊接缺陷等原因,鋼橋容易產(chǎn)生疲勞破壞,歷史上因鋼橋疲勞問(wèn)題導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生,我國(guó)已建成的鋼橋中有些已經(jīng)出現(xiàn)了疲勞裂紋[2]。在橋梁日常維護(hù)中,一旦發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋,應(yīng)立即采取止裂修復(fù)措施,以避免脆斷事故的發(fā)生。

鉆孔止裂法是當(dāng)前鋼橋疲勞開裂的主要維護(hù)方法之一[3]。這種方法通常是在裂紋尖端或尖端前方鉆一個(gè)光滑圓孔[4],用以臨時(shí)阻止裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展,待時(shí)機(jī)成熟時(shí)再進(jìn)行統(tǒng)一修復(fù)。與其他止裂修復(fù)方法相比,鉆孔止裂法具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

鉆孔止裂法的關(guān)鍵在于去除裂紋尖端的應(yīng)力集中區(qū)[5],因此現(xiàn)有研究通常假設(shè)止裂孔被打在裂紋尖端[6-8]。但在實(shí)際操作時(shí),常常會(huì)由于不易準(zhǔn)確辨認(rèn)尖端位置或操作不精細(xì)而將止裂孔打偏,從而錯(cuò)過(guò)裂紋尖端,不能起到止裂修復(fù)的作用。多止裂孔布置可以避免定位裂紋尖端,規(guī)避這種風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于鉆孔止裂技術(shù)的多孔布置方法,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果不多,文獻(xiàn)[9-10]的試驗(yàn)結(jié)果表明,雙孔和多孔布置能夠?qū)ζ诹鸭y的擴(kuò)展起阻礙作用,但沒(méi)有給出止裂孔的最佳布置方案。因此,本文考慮雙孔和附加孔2種多止裂孔布置,通過(guò)有限元分析,比較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

采用含有單邊穿透裂紋的緊湊拉伸試驗(yàn)?zāi)Ｐ?在線彈性條件下進(jìn)行分析,模型尺寸與有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。試件厚度為5 mm,裂紋長(zhǎng)度為50 mm。材料的彈性模量E=206 GPa,泊松比ν=0.3。沿兩圓孔施加荷載,加載合力P為1.25 kN,并約束圓孔在x方向的位移。由于所研究的問(wèn)題具有對(duì)稱性,取模型的1/2(圖1a陰影部分)為研究對(duì)象。在線彈性分析中裂紋尖端具有奇異性,故在尖端附近區(qū)域選用奇異單元,其他區(qū)域選用8節(jié)點(diǎn)平面四邊形單元PLANE183進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分7 795個(gè)網(wǎng)格,23 725個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖1b)。

考慮3種不同的止裂孔布置方法,如圖2所示。圖2a為常見的單止裂孔布置,止裂孔被打在裂紋尖端,孔徑為D1;圖2b為雙孔布置,在尖端附近打1對(duì)直徑為D2的止裂孔,孔的中心距離裂紋尖端的水平、垂直距離分別為X、Y;圖2c為多孔布置,實(shí)際上是圖2a與圖2b的疊加。

圖1 開裂模型

圖2 止裂孔布置

分析時(shí),通過(guò)比較不同布置下模型的應(yīng)力集中系數(shù)Kt評(píng)價(jià)其疲勞性能。Kt由(1)式給出,模型的最大應(yīng)力σmax由有限元計(jì)算得到,模型的名義應(yīng)力σnom由(2)式[5]得到:

(1)

(2)

其中,P為施加的載荷(1.25 kN);W、t分別為模型的有效寬度(100 mm)與厚度(5 mm);a為裂紋長(zhǎng)度(50 mm)。根據(jù)(2)式計(jì)算得到該模型在1.25 kN載荷下的名義應(yīng)力σnom=50 MPa。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 單孔布置

在裂紋尖端打不同孔徑的單止裂孔,計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)見表1所列。

表1 不同孔徑單止裂孔下模型的應(yīng)力集中系數(shù)

由表1可以看出,鉆止裂孔之后,模型的應(yīng)力集中系數(shù)大幅下降,這是由于止裂孔的曲率小于原有裂紋尖端,去除了裂紋尖端的奇異點(diǎn);止裂孔孔徑越大,其曲率越小,打孔后模型的應(yīng)力集中系數(shù)也越低,止裂效果越好。

由于止裂孔本身對(duì)截面的強(qiáng)度有削弱作用,止裂孔的直徑不能無(wú)限增大。模型應(yīng)力集中系數(shù)Kt與止裂孔直徑D1的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出,隨著D1的增大,Kt的降低越來(lái)越緩慢,孔徑增大帶來(lái)的收益越來(lái)越低?？紤]止裂效果與削弱作用的平衡,止裂孔直徑不宜超過(guò)10 mm。

圖3 模型應(yīng)力集中系數(shù)與止裂孔直徑關(guān)系

2.2 雙孔布置

不同雙孔布置下模型應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。Y=4 mm時(shí)不同直徑止裂孔下模型的應(yīng)力集中系數(shù)如圖5所示。

圖4中的高、低2條水平線分別表示不打止裂孔時(shí)與在裂紋尖端打單個(gè)直徑D2的止裂孔時(shí)模型的應(yīng)力集中系數(shù)(Kt0與Kt1)。從圖4可以看出,當(dāng)X從-4 mm變化到1 mm時(shí),Kt先減小后增大,最小值均在X=-2 mm附近?？傮w上看,當(dāng)X<0時(shí),Kt0時(shí),Kt>Kt0;Kt始終大于Kt1。因此,雙孔布置在對(duì)應(yīng)力集中的降低作用上與單孔布置相比并無(wú)優(yōu)勢(shì),但在不能精確定位裂紋尖端時(shí)它依舊可以作為一種有效的替代方法:操作時(shí),將雙孔打在尖端前方,這時(shí)裂紋會(huì)加劇擴(kuò)展。文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)表明,在尖端前方打止裂孔時(shí),裂紋有可能改變開展方向并與止裂孔匯合。若未發(fā)生匯合,則裂紋從雙孔之間穿過(guò)后止裂孔將對(duì)它的擴(kuò)展起到持續(xù)的抑制作用。而對(duì)于單孔布置,裂紋在孔邊重新萌生后止裂孔就不再起作用。

圖4 模型應(yīng)力集中系數(shù)與雙孔位置關(guān)系

圖5 模型應(yīng)力集中系數(shù)與雙孔直徑關(guān)系

考慮X<0時(shí)Y對(duì)雙孔布置效果的影響,從圖4可以得出,Y越小,Kt越小;從圖5可以看出,X<0時(shí)孔徑越大,Kt越小。因此,減小止裂孔與裂紋尖端間的垂直距離及增大孔徑均能加強(qiáng)雙孔布置的效果。

2.3 多孔布置

多孔布置下,裂紋尖端的止裂孔對(duì)止裂效果的影響與單孔布置類似,在此不再討論,僅考慮剩下的1對(duì)止裂孔(文獻(xiàn)[10]稱其為附加孔)的影響。不同多孔布置下模型應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。尖端止裂孔的直徑D1為4 mm,附加孔的直徑D2分別為3、4、5 mm。圖6中的水平線表示4 mm單止裂孔布置時(shí)模型的應(yīng)力集中系數(shù)(Kt1)。

圖6 模型應(yīng)力集中系數(shù)與附加孔位置關(guān)系

從圖6可知,隨著X從-2 mm變化到4 mm,Kt同樣先減小后增大;但當(dāng)0

總體上看,Y越小,Kt越小,且這一效應(yīng)在Kt的最低點(diǎn)最為顯著?？紤]附加孔直徑的影響,在D1=4 mm、Y=5.5 mm時(shí),不同直徑附加孔下Kt如圖7所示。

圖7 模型應(yīng)力集中系數(shù)與附加孔直徑關(guān)系

從圖7可知,D2越大,Kt越小。因此,減小附加孔與裂紋尖端間的垂直距離及增大附加孔孔徑同樣能加強(qiáng)多孔布置的效果。

當(dāng)Y確定后,使Kt取得最小值的X即為附加孔的最佳位置,記為X0。在圖6的9條曲線中,Kt的最小值都落在X=1 mm附近,說(shuō)明Y和D2對(duì)X0沒(méi)有影響?？紤]尖端止裂孔直徑D1對(duì)其的影響,D1、D2、Y不同布置下Kt隨X的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可以看出,X0隨著D1的增大而增大。一般地,可以把X0取為D1的1/4。

圖8 附加孔最佳位置與止裂孔直徑關(guān)系

2.4 不同布置的對(duì)比

為了綜合對(duì)比上述3種止裂孔布置方法,考慮各種布置達(dá)到相同的止裂效果所需要的止裂孔大小。各種布置方法均考慮最優(yōu)位置，具體如下:

雙孔布置下,X=-2 mm,Y=(D2/2+1) mm。

多孔布置下,X=(D1/4) mm,Y=(D1/2+D2/2+1) mm。

止裂孔不同布置時(shí)的對(duì)比結(jié)果如下：

單孔布置下,D1=4 mm,Kt=1.95;雙孔布置下,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,要使模型的應(yīng)力集中系數(shù)降低到1.98左右(降低了45%),單孔布置下需要的止裂孔直徑為4 mm；雙孔布置下則需要更大的止裂孔,孔徑約為單孔布置的1.75倍;而多孔布置下只需要1個(gè)直徑2 mm的止裂孔外加1對(duì)直徑2.5 mm的附加孔,止裂孔直徑為單孔布置下的1/2。由于止裂孔越大,對(duì)截面強(qiáng)度的削弱作用越強(qiáng),在實(shí)際操作時(shí),可以根據(jù)截面強(qiáng)度并考慮辨認(rèn)裂紋尖端的難易程度,選取合適的止裂孔布置方法。

3 結(jié) 論

(1) 在工程實(shí)際中不能精確定位裂紋尖端時(shí),雙孔布置可以作為一種有效的替代方法。盡管雙孔布置在對(duì)應(yīng)力集中的降低上與常見的單止裂孔相比并無(wú)優(yōu)勢(shì),但能對(duì)疲勞裂紋的開展起到持續(xù)的抑制作用。

(2) 多孔布置中,合理布置附加孔可以加強(qiáng)止裂孔的止裂效果，附加孔與裂紋尖端間的垂直距離越小,它帶來(lái)的優(yōu)化效果越好;最佳水平距離為止裂孔直徑的1/4,位于止裂孔前方。

(3) 無(wú)論是何種布置方法,止裂孔孔徑越大,止裂效果越好,但止裂孔對(duì)截面強(qiáng)度的削弱也越嚴(yán)重。考慮止裂效果與削弱作用的平衡,止裂孔直徑不宜超過(guò)10 mm。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278166;51478163);江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013Y10-1)

劉天笳(1992-),男,江蘇宜興人,河海大學(xué)碩士生;

吉伯海(1966-),男,江蘇揚(yáng)州人,博士,河海大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.016

U441.4

A

1003-5060(2016)10-1376-05