鋼箱梁疲勞裂紋氣動沖擊法維修效果評估

劉嘉正,吉伯海,袁周致遠,劉青茹

(河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098)

0 引言

對于大跨徑鋼橋而言,為減輕橋梁自重,主梁大多采用正交異性鋼橋面板的構造形式,隨著服役年限的增加,我國大跨徑橋梁也不同程度地出現(xiàn)了疲勞開裂問題[1].為防止鋼橋在運營期間產(chǎn)生結構性問題,必須對其產(chǎn)生疲勞裂紋的部位進行修復.目前針對鋼橋面板疲勞裂紋的修復技術主要包括鉆孔止裂、焊合修復、局部補強等[2-4].但上述方法在實橋應用時都具有一定的局限性,如存在截面損傷、施工質量難以把握等.

近年來,基于錘擊原理的氣動沖擊維修技術得到了廣泛的應用,該技術設備包括空氣壓縮機、氣動工具和沖擊頭等[5-6].該技術利用沖擊頭的高速沖擊,鋼材表面產(chǎn)生明顯的塑性變形,從而使裂紋開口表面閉合接觸,并在周圍引入較大的殘余壓應力.國內外學者對該維修技術展開了大量研究,研究方法主要以構件疲勞試驗為主,結果表明,氣動沖擊維修能夠延緩疲勞裂紋沿深度方向的擴展,相比于傳統(tǒng)的修復措施,具有更好的修復效果,能夠大幅提高疲勞剩余壽命[7-8].但試驗受到邊界條件和荷載模擬方式等因素的限制,難以模擬實際橋梁疲勞裂紋的受力特征,且總體上試驗研究更多是從理想維修效果和維修工藝參數(shù)出發(fā).而服役環(huán)境下實際橋梁疲勞裂紋主要以復合型裂紋為主,圍繞復合型裂紋閉合修復效果、氣動沖擊維修技術的現(xiàn)場應用效果開展的研究較少,難以揭示閉合修復延緩復合型疲勞裂紋擴展的本質原因.因此,有必要針對實橋疲勞裂紋開展現(xiàn)場監(jiān)測.

本研究通過實橋應力時程監(jiān)測的方法,對比兩種不同測量方法下裂紋尖端應力場特征,分析維修前后裂紋尖端應力的變化規(guī)律.通過對應力強度因子時程分析,明確裂紋擴展模式,給出裂紋尖端應力強度因子譜的特征,評價沖擊裂紋閉合修復效果,為定性描述裂紋表面開口閉合提供參考.

1 現(xiàn)場試驗方案

1.1 測點位置介紹

以某雙塔懸索橋3/8跨附近鋼箱梁上游側某正交異性鋼橋面板的過焊孔部位U肋焊縫裂紋為測試對象,如圖1所示.該裂紋沿U肋母材分別向兩側擴展,橫隔板兩側裂紋尖端的相對距離(有效裂紋長度)2a約為114 mm,考慮到裂紋表明平整度要求,選擇圖1所示的南側裂紋尖端作為測點位置.

圖1 現(xiàn)場的疲勞裂紋Fig.1 Fatigue crack in the field

1.2 測試流程

制定具體的測試流程以便對比分析維修前后裂紋尖端應力特征.首先采集維修前原始狀態(tài)下裂紋尖端的應力場作為原始數(shù)據(jù),實施氣動沖擊維修并對整個維修過程實時測量,維修結束后,繼續(xù)采集維修后應力場數(shù)據(jù).維修前后數(shù)據(jù)采集持續(xù)時間均為24 h.

1.3 應變測試方法

采用兩種應力強度因子測量技術[9-10]對裂紋尖端的應力場和應力強度因子進行測量,對測量結果進行對比分析.采用磁粉探傷技術確定裂紋尖端的準確位置,并對局部進行打磨,去除原有表面防腐涂層.將應力強度因子片(簡稱KG,型號為SKF-3541)粘貼于裂紋尖端；采用BX120-3AA型號電阻應變片(簡稱SG),其中應變片SG1粘貼在裂紋尖端水平方向10 mm位置,用于測量裂紋尖端的剪切應力；TSG包括應變片SG2和SG3,分別粘貼在距離尖端法線方向7和21 mm位置,用于測量裂紋尖端Ⅰ型應力強度因子以及反映裂紋尖端法線方向局部應力特征,并驗證KG法的精度和適用性.采用uT7800動態(tài)應變采集儀采集數(shù)據(jù),采樣頻率為512 Hz.采用溫度補償片考慮測試過程中溫度的影響.應變片布置方式如圖2所示,采集通道編號見表1.

圖2 裂紋尖端應變片布置情況Fig.2 Layout of strain gauges at the crack tip

表1 采集通道編號Tab.1 Number of collection channels

1.4 氣動沖擊維修

氣動沖擊維修設備參數(shù)與文獻[11]一致.對該裂紋進行氣動沖擊維修時,沖擊頭緊貼著裂紋開口部位緩慢移動,沖擊移動速度控制在1 mm·s-1左右,確保表面產(chǎn)生足夠塑性變形使裂紋開口表面產(chǎn)生閉合.裂紋尖端位置附近已經(jīng)粘貼相關應變片,為了保護應變片,在南側裂紋維修中的有效處理范圍略小于實際裂紋長度；北側裂紋則進行了全覆蓋的處理,并且處理范圍超過裂紋尖端約10 mm.

2 應變測試結果分析

2.1 裂紋尖端應力場特征

測試過程中存在輪載、風載、溫度荷載、儀器采集噪音等客觀因素,影響應力測試數(shù)據(jù)的準確性.為了避免此類干擾,在數(shù)據(jù)分析前對所采集的數(shù)據(jù)進行濾波以及移動平均降噪處理.對降噪后的數(shù)據(jù)進行對應的分析和提取,得到不同軸載作用下裂紋尖端的局部應力場.由于篇幅有限,選取六軸車分析應力場特征,如圖3所示.可以看出,裂紋尖端的應力變化規(guī)律相似,且波峰和波谷的數(shù)量分別對應相應的軸數(shù).裂紋尖端分布有一定大小的拉應力和剪應力,是Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋.

圖3 六軸車應力時程Fig.3 Stress time history under six-axle vehicle

2.2 維修前后應力幅對比

以KG法測量的結果為研究對象,維修前后張拉和剪切應力幅變化如圖4所示,其中,張拉應力幅以CH1通道數(shù)據(jù)為基礎,剪切應力幅以CH2通道數(shù)據(jù)為基礎.從圖4中可以看出,在不同類型車輛作用下,維修后張拉應力幅得到了顯著降低,表明氣動沖擊維修可以延緩Ⅰ型裂紋的擴展.維修后剪切應力幅也得到了明顯的應力幅降低.由于測量誤差、測點零漂等情況的存在,部分測點維修后的應力略大于原有應力,但從總體上來看,維修后的剪切應力得到了一定程度降低,從而表明氣動沖擊維修可以延緩復合型裂紋的擴展.

圖4 應力幅對比Fig.4 Stress range comparing

3 應力強度因子分析

3.1 測量方法

對于TSG法,可由下式求出應力強度因子.其中,c1為Ⅰ型裂紋應力強度因子系數(shù),計算方法見文獻[9].

對于KG法,記通道CH1～CH4測得的應變值分別為ε1～ε4,在E=206 GPa且v=0.3的情況下,可由下式求得Ⅰ型裂紋和Ⅱ型裂紋應力強度因子KⅠ和KⅡ。其中,系數(shù)C1和C2的取值方法見文獻[12].

3.2 測量結果對比

選取六軸車為研究對象,在圖3的基礎上,結合公式(1)和(2),得到如圖5所示的應力強度因子近似值.由圖5可以看出,對于Ⅰ型裂紋,采用KG法和TSG法得到的應力強度因子大小相似,且變化規(guī)律基本一致,這說明兩種方法均能有效得出I型裂紋尖端應力強度因子.同時,不難看出波峰和波谷的數(shù)量也分別對應相應的軸數(shù),這與應力時程的變化規(guī)律保持一致.對于Ⅱ型裂紋尖端應力強度因子,數(shù)值與Ⅰ型裂紋存在差異但變化規(guī)律相似.

對于Ⅰ型疲勞裂紋擴展而言,其僅在荷載的拉伸作用下(KⅠ＞0)會產(chǎn)生擴展；而對于Ⅱ型疲勞裂紋擴展而言,荷載的拉伸和剪切作用均會對裂紋的擴展產(chǎn)生影響.結合復合型裂紋擴展規(guī)律,在圖5的基礎上給出了如圖6所示的等效應力強度因子幅Keq.從圖6中可以看出KⅡ均大于KⅠ,說明在這條裂紋的擴展過程中剪切變形是主要的裂紋擴展模式,而張拉變形的影響相對較小.

圖5 應力強度因子時程Fig.5 Time history of stress intensity factor

圖6 等效應力強度因子大小Fig.6 Equivalent SIF values

圖7 給出了維修前后等效應力強度因子Keq的變化情況.可以看出維修后裂紋尖端的等效應力強度因子得到了顯著的降低,表明維修對于延緩裂紋擴展起到了顯著效果.

圖7 維修前后等效應力強度因子對比Fig.7 Comparison of equivalent SIF values before and after repairing

3.3 應力強度因子譜

采用雨流計數(shù)法,以KG法CH1通道和CH2通道測量結果為基礎,對維修前后24 h內的應力時程進行處理,忽略10 MPa以下的應力幅,得到如圖8所示的裂紋尖端疲勞應力譜.通過對比可以看出,維修后裂紋尖端高應力幅的循環(huán)次數(shù)顯著降低,部分高應力幅消失,而低應力幅的循環(huán)次數(shù)則明顯增加,維修前裂紋尖端高應力幅的循環(huán)特征得到明顯改變,說明氣動沖擊維修對于延緩裂紋擴展、降低裂紋擴展速率具有顯著的效果.

圖8 應力譜對比Fig.8 Comparison of stress spectrum

由于隨機車輛荷載作用下名義應力幅的大小難以確定,同時考慮到裂紋尖端局部應力場在維修后的變化,采用應力強度因子的外推公式[13],即

對裂紋尖端應力強度因子幅進行估算,根據(jù)裂紋尖端到KG電阻絲中心位置的距離,并結合圖8數(shù)據(jù),計算得到了如圖9所示的維修前后應力強度因子譜.

圖9 應力強度因子譜對比Fig.9 Spectrum comparison of SIF

4 結語

應變測試結果表明,該懸索橋正交異性鋼橋面板過焊孔部位U肋焊縫裂紋既存在拉應力也存在剪應力,是典型的復合型裂紋.氣動沖擊維修后,裂紋尖端張拉應力幅和剪切應力幅均得到了降低,有效改善了裂紋尖端的受力條件,裂紋表面開口閉合起到了延緩復合型裂紋擴展的作用.應力強度因子譜分析表明,剪切變形對裂紋擴展起主導作用,裂紋表面開口閉合后,高應力強度因子幅的循環(huán)次數(shù)明顯降低,而低應力強度因子幅的循環(huán)次數(shù)則明顯增加,有效改善了原有裂紋尖端受力條件,氣動沖擊維修法對于延緩復合型裂紋擴展具有良好的效果.