高強(qiáng)螺栓止裂法修復(fù)含裂紋鋼板疲勞受力性能

姜 旭，呂志林，強(qiáng)旭紅，羅程巍，張建東

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2. 江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京210019）

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有結(jié)構(gòu)輕盈、承載力高、施工便利等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)更是成為大跨度橋梁的首選形式［1］。然而，當(dāng)鋼橋運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，由于結(jié)構(gòu)存在焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力等不利因素，一些細(xì)節(jié)部位在循環(huán)車(chē)載下開(kāi)始萌生疲勞裂紋［2-3］。隨著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，鋼構(gòu)件將會(huì)發(fā)生疲勞破壞，最終會(huì)影響鋼橋結(jié)構(gòu)的安全。因此，一旦發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)處理從而延長(zhǎng)鋼橋的使用壽命。

鉆孔止裂法作為一種常見(jiàn)的疲勞裂紋修復(fù)措施，常常用于鋼橋的日常維護(hù)中。其原理是在裂紋尖端鉆孔來(lái)去除裂紋尖端塑性區(qū)，顯著改善局部應(yīng)力集中，進(jìn)而延緩裂紋擴(kuò)展［4］。國(guó)內(nèi)外大部分研究表明選擇較大直徑的孔來(lái)修復(fù)裂紋尖端，可以有效降低裂紋尖端應(yīng)力集中系數(shù)從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)疲勞壽命［5-7］。然而，部分研究表明單純采用普通止裂孔的止裂效果有限，僅在較少荷載循環(huán)次數(shù)下疲勞裂紋便再次萌生［8］。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)裂紋尖端位置精準(zhǔn)定位，止裂作用因此發(fā)生失效。為了提高止裂效果，許多學(xué)者通過(guò)對(duì)鉆孔孔位、鉆孔形狀以及多孔布置方法等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)合理止裂孔位大致為0.5 倍的孔徑，采用一種腰圓孔具有較高的止裂優(yōu)勢(shì)，并且采用附加孔等布置形式能有效地降低孔邊應(yīng)力集中系數(shù)［9-11］。關(guān)于止裂孔工藝方面，Duprat學(xué)者通過(guò)對(duì)普通止裂孔進(jìn)行冷擴(kuò)孔在孔邊邊緣產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而降低循環(huán)應(yīng)力的平均值來(lái)達(dá)到增加止裂效果的目的。同時(shí)在冷擴(kuò)孔后又置入直徑稍大的栓釘來(lái)降低循環(huán)應(yīng)力幅，進(jìn)而再次提高疲勞剩余壽命［12］。杜洪增等［13］在航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面研究了鉚釘填充止裂孔對(duì)構(gòu)件裂紋止裂的提升作用，但提升效果有限。傳統(tǒng)的鉆孔止裂法僅是去除應(yīng)力高度集中的裂紋尖端，若在較大的應(yīng)力幅下將在孔邊產(chǎn)生新的應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)而出現(xiàn)裂紋再擴(kuò)展，無(wú)法解決根本問(wèn)題，只能作為一種臨時(shí)措施。有日本學(xué)者提出了高強(qiáng)螺栓止裂孔法［14］，它是將螺栓施擰對(duì)止裂孔邊產(chǎn)生擠壓力，使螺栓墊板與孔邊產(chǎn)生較大摩擦力從而減少循環(huán)荷載的應(yīng)力幅，從而改善止裂效果。Fisher［15］在對(duì)大量足尺鋼梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后嘗試施以高強(qiáng)螺栓進(jìn)行止裂，并建議當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于20mm 時(shí)可采用此方法。Roeder［16］對(duì)鉚接鋼梁橋的縱橫梁連接處疲勞裂紋進(jìn)行高強(qiáng)螺栓修復(fù)，結(jié)果表明該方法能有效阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者郭阿明［17］通過(guò)有限元方法分析了高強(qiáng)螺栓止裂法對(duì)中心裂紋鋼板的止裂效果。因此高強(qiáng)螺栓止裂孔法在加固鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋具有較強(qiáng)的合理性和可行性。但這些文獻(xiàn)尚未對(duì)螺栓預(yù)緊力的效果進(jìn)行分析，而且關(guān)于這種止裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)鋼橋加固領(lǐng)域研究方面較少。針對(duì)這個(gè)情況，本文首先利用數(shù)值模擬分析相關(guān)止裂參數(shù)對(duì)含裂紋鋼板應(yīng)力的影響以及止裂機(jī)理，為鋼板修復(fù)試驗(yàn)提供最優(yōu)參數(shù)。然后對(duì)比單一止裂孔法，通過(guò)一系列疲勞試驗(yàn)結(jié)果探討高強(qiáng)螺栓止裂孔的疲勞破壞模式和對(duì)裂紋疲勞壽命的增強(qiáng)效果。最后基于名義應(yīng)力法探討不同修復(fù)方法下的該細(xì)節(jié)部位的疲勞強(qiáng)度及其疲勞性能。

1 有限元模型的建立

1.1 鋼板尺寸的確定

為了保證試件尺寸與試驗(yàn)設(shè)備MTS 647測(cè)試框架系統(tǒng)的工作空間相適應(yīng)，采用620mm×230mm的啞鈴型板件（中間部分尺寸380mm×160mm），厚度取鋼橋橫梁最小厚度12mm，缺口尺寸根據(jù)《金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》（GBT 6398-2017）選取［18］，如圖1 所示。在缺口處預(yù)制裂紋長(zhǎng)度14mm，然后分別采用鉆孔止裂法和高強(qiáng)螺栓止裂法在預(yù)制裂紋尖端處進(jìn)行止裂，修復(fù)方案如圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)鋼板試件尺寸和缺口尺寸（單位：mm）Fig.1 The size of standard steel plate specimen and notch size(Unit:mm)

1.2 模型建立

模型均采用ABAQUS 通用有限元軟件進(jìn)行建立，如圖3 所示。模型材料參數(shù)根據(jù)實(shí)際材性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輸入，其中Q345qD 材料屈服強(qiáng)度為418MPa，彈性模量采用2.1×105MPa，泊松比為0.3。對(duì)于止裂孔修復(fù)模型，分別建立止裂孔直徑為8mm、10mm、14mm、18mm、22mm 的5 個(gè)鋼板有限元模型，止裂孔位于裂紋尖端，裂紋采用“seam”模擬，除了止裂孔大小外其余參數(shù)相同。而對(duì)于高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)模型，在選擇合適止裂孔孔徑后分別建立預(yù)緊力為10kN、30kN、50kN、70kN、90kN 的5 個(gè)鋼板有限元模型。其中高強(qiáng)螺栓采用實(shí)體單元C3D8R 模擬，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3?？紤]螺栓起到連接和緊固作用，利用“bolt load”施加預(yù)緊力。同時(shí)為考慮摩擦作用以模擬預(yù)緊力傳遞作用，螺栓墊片與鋼板之間設(shè)置“general contact”面接觸行為，接觸屬性在法向設(shè)置為硬接觸，切向設(shè)置為庫(kù)倫摩擦。根據(jù)試件實(shí)際制作情況，考慮接觸面為“未經(jīng)處理的干凈軋制面”，此處摩擦系數(shù)取為0.35［19］。兩類(lèi)模型的鋼板均采用C3D8R單元，局部網(wǎng)格尺寸為0.5mm，拉伸荷載均為60kN，邊界條件均為在實(shí)際夾持面約束x、y、z向位移。

圖2 止裂孔修復(fù)方案與高強(qiáng)螺栓止裂修復(fù)方案（單位：mm）Fig.2 The scheme of stop-hole method and high strength bolt stop-hole method(Unit:mm)

圖3 不同修復(fù)方法下的有限元模型Fig.3 Finite element models under different repair methods

2 有限元結(jié)果分析

2.1 孔徑影響分析

通過(guò)計(jì)算不同孔徑下止裂孔法模型的最大應(yīng)力，利用應(yīng)力集中系數(shù)Kt和疲勞缺口系數(shù)Kf來(lái)表征止裂孔方法修復(fù)鋼板的止裂效果［20］，其中應(yīng)力集中系數(shù)Kt按式（1）計(jì)算，其中鋼板止裂孔孔邊最大主應(yīng)力σmax由模型有限元計(jì)算得出，而名義應(yīng)力σnom按式（2）計(jì)算。疲勞缺口系數(shù)Kf按式（3）給出，其中c為材料特征常數(shù)，本文取0.45，ρ為止裂孔半徑［20］。

式中：P為鋼板端部拉伸荷載；W為鋼板內(nèi)緣寬度；a為裂紋長(zhǎng)度；b為缺口長(zhǎng)度；t為鋼板厚度；D為止裂孔直徑。將以上計(jì)算結(jié)果匯總于表1。隨著止裂孔直徑的增大，鋼板止裂孔孔邊的最大主應(yīng)力減小，應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口系數(shù)也相應(yīng)減小，說(shuō)明采用止裂孔一定程度上能夠改善疲勞性能，但是加強(qiáng)的效果趨緩。另外，雖然鋼板的最大主應(yīng)力減小，但是其名義應(yīng)力逐漸增大，容易對(duì)截面剛度產(chǎn)生削弱從而導(dǎo)致強(qiáng)度破壞，因此不能盲目增大止裂孔孔徑。考慮到止裂作用和削弱作用的平衡，同時(shí)參考《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度大六角頭螺栓》（GB/T 1228—2006）中規(guī)定的最小高強(qiáng)螺栓尺寸［21］，此處選擇D=14mm的止裂孔進(jìn)行后續(xù)分析。

經(jīng)D=14mm 止裂孔修復(fù)后模型鋼板的最大主應(yīng)力分布如圖4所示。由于止裂孔消除了裂紋尖端應(yīng)力集中，因此降低了此處應(yīng)力水平，但同時(shí)位于止裂孔最小截面處的側(cè)邊出現(xiàn)了新的應(yīng)力集中點(diǎn)，該點(diǎn)的應(yīng)力值約為無(wú)打孔模型最大主應(yīng)力的66%，可能成為潛在的新裂紋萌生點(diǎn)。圖5給出了止裂孔最小截面處孔邊沿厚度方向的最大主應(yīng)力分布。止裂孔邊緣均處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，從中間大兩端小的趨勢(shì)來(lái)看，說(shuō)明新的疲勞裂紋極易在孔邊內(nèi)部產(chǎn)生，并由此進(jìn)一步擴(kuò)展。

表1 不同直徑下止裂孔修復(fù)模型應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口系數(shù)Tab.1 Stress concentration coefficient and fatigue notch coefficient of stop-hole model under different diameters

圖4 止裂孔修復(fù)模型最大主應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.4 Maximum principal stress distribution of stop hole repair model(Unit：MPa)

圖5 孔邊沿厚度方向最大主應(yīng)力變化Fig.5 The trend of principal stress along the thick?ness of the hole under the preload

圖6 不同預(yù)緊力下的鋼板最大主應(yīng)力Fig.6 The principal stress of steel plate under various preload

圖7 預(yù)緊力30kN下模型最大主應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.7 The principal stress of model with 30kN preload(Unit：MPa)

2.2 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力影響分析

通過(guò)有限元計(jì)算得到不同預(yù)緊力下鋼板的最大主應(yīng)力值，如圖6 所示。當(dāng)預(yù)緊力小于30kN 時(shí)，隨著預(yù)緊力的增大，鋼板最大主應(yīng)力減小；當(dāng)預(yù)緊力大于30kN 時(shí)，隨著預(yù)緊力的增大，鋼板最大主應(yīng)力增加，增大速率先緩后急。在考慮降低鋼板最大主應(yīng)力的同時(shí)，也應(yīng)考慮螺栓自鎖、連接可靠緊密等需求，建議預(yù)緊力取30kN 為宜。圖7 給出了預(yù)緊力30kN下高強(qiáng)螺栓止裂模型最大主應(yīng)力分布，在增加了高強(qiáng)螺栓后，該孔的主應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，原先位于易萌生疲勞裂紋的止裂孔最小截面處的受拉區(qū)域變成受壓為主的區(qū)域，而位于裂紋前端處變?yōu)槭芾瓰橹鞯膮^(qū)域。這是由于當(dāng)試件承受拉伸作用時(shí)，裂紋前端將產(chǎn)生相對(duì)位移。但施擰高強(qiáng)螺栓后，鋼板表面與螺栓墊板之間產(chǎn)生的摩擦力遏制了裂紋的張開(kāi)。由此表明高強(qiáng)螺栓止裂孔法比單純施加止裂孔有了較大的止裂效果。圖8 為在預(yù)緊力30kN下孔邊沿厚度方向的應(yīng)力變化，其中止裂孔最小截面處的應(yīng)力顯著下降，靠近鋼板表面約1.0mm區(qū)域拉應(yīng)力甚至轉(zhuǎn)換成壓應(yīng)力。對(duì)比原鉆孔止裂模型最大主應(yīng)力，預(yù)緊力帶來(lái)的應(yīng)力衰減率約40.8%；而該處鋼板表面最大主應(yīng)力下降約110%（由拉應(yīng)力→壓應(yīng)力），削減效果十分顯著。

圖8 預(yù)緊力下孔邊沿厚度方向應(yīng)力變化Fig.8 The trend of stress along the thickness of the hole under the preload

3 疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試件預(yù)處理

試驗(yàn)共設(shè)置3 組，每組3 塊鋼板，分別為止裂孔修復(fù)組和高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)組，并以無(wú)修復(fù)組進(jìn)行參照，如圖9 所示。止裂孔修復(fù)組是以預(yù)制裂紋尖端為圓心打孔止裂，止裂孔尺寸為φ14mm，高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)組首先以裂紋尖端為圓心打孔止裂，止裂孔尺寸為φ14mm，再利用12.9 級(jí)M12 高強(qiáng)螺栓（螺栓直徑12mm，墊片外徑19mm）對(duì)鋼板施加30kN預(yù)緊力，實(shí)際操作中利用扭矩扳手控制預(yù)緊力和扭矩。

圖9 不同修復(fù)方案下的試件實(shí)物Fig.9 Actual specimens with various repair methods

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

在正式疲勞階段，無(wú)修復(fù)組、止裂孔修復(fù)組及高強(qiáng)螺栓止裂修復(fù)組均在相同位置布置1×2 個(gè)應(yīng)變花、2×2 個(gè)應(yīng)變片。以應(yīng)變花的位置作為名義應(yīng)力幅測(cè)點(diǎn)［22］。由于應(yīng)變花距裂紋尖端或止裂孔邊緣較遠(yuǎn)，對(duì)無(wú)修復(fù)組（組別1）和止裂孔修復(fù)組（組別2）增加裂紋或止裂孔處（應(yīng)變片中心距邊緣2mm左右）應(yīng)變片，正反雙側(cè)布置如圖10所示。3個(gè)組別的應(yīng)變花距鋼板邊緣的距離均為45mm，3個(gè)組別的同位置應(yīng)變片距鋼板邊緣的距離均為60mm、90mm，以便進(jìn)行橫向比較。在大于90mm 之后未再設(shè)測(cè)點(diǎn)，是考慮到裂紋擴(kuò)展至截面1/2 長(zhǎng)度之后其擴(kuò)展速率受偏心拉力影響大，不再是純粹的疲勞裂紋擴(kuò)展。試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)采樣，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)注位置的應(yīng)變。

3.3 加載裝置

如圖11所示，試驗(yàn)加載裝置采用蘇交科結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的MTS 647加載系統(tǒng)，通過(guò)在上下兩端進(jìn)行夾持，并利用上端作動(dòng)器加載實(shí)現(xiàn)單向拉伸（即拉?拉疲勞）的加載方式控制鋼板的應(yīng)力幅，以此研究不同修復(fù)方法下該結(jié)構(gòu)的疲勞性能。疲勞試驗(yàn)機(jī)提供10Hz 等幅正弦波的疲勞荷載?？紤]到試件較多以及試驗(yàn)的效率性，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)期每塊試件的壽命在10 000～1 500 000之間，所需的應(yīng)力幅較大，因此對(duì)每組內(nèi)3 塊試件荷載幅設(shè)計(jì)為150kN、175kN、200kN，應(yīng)力比0.1。

圖10 測(cè)點(diǎn)布置Fig.10 Layout of test points

圖11 加載裝置Fig.11 Loading set-up

4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由于試驗(yàn)過(guò)程中加載位置、試件制作和應(yīng)變花粘貼位置的誤差，鋼板兩側(cè)的距邊緣45mm 處應(yīng)變花或距邊緣60mm、90mm 處應(yīng)變片所測(cè)得的數(shù)值會(huì)略有不同。選擇測(cè)量結(jié)果較大的一側(cè)作為試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)象，9 個(gè)試件的實(shí)測(cè)應(yīng)力幅變化曲線(xiàn)如圖12所示。在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，除了部分應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)外，絕大部分應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)測(cè)得的應(yīng)力幅在無(wú)裂紋產(chǎn)生時(shí)基本保持不變，表明試件基本處于常幅應(yīng)力狀態(tài)。

4.2 疲勞破壞與分析

在疲勞試驗(yàn)過(guò)程，結(jié)合實(shí)測(cè)主應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)，通過(guò)觀察疲勞裂紋的開(kāi)裂位置及形式來(lái)分析各組試件的疲勞破壞模式。以裂紋擴(kuò)展到距鋼板邊緣90mm 為結(jié)束的標(biāo)志，三組試件最終典型破壞形式如圖13 所示，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞裂紋均沿著垂直于拉應(yīng)力的方向不斷擴(kuò)展。對(duì)于無(wú)修復(fù)組試件，在循環(huán)次數(shù)僅4 000～20 000 次后實(shí)測(cè)應(yīng)力幅便發(fā)生明顯變化，同時(shí)真實(shí)裂紋在預(yù)制裂紋尖端處開(kāi)始萌生擴(kuò)展，循環(huán)幾萬(wàn)次后試件即發(fā)生破壞。顯然，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋后如若未對(duì)裂紋進(jìn)行處理，其裂紋擴(kuò)展壽命較短。止裂孔修復(fù)組的試件在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的荷載循環(huán)次數(shù)后疲勞裂紋萌生于止裂孔最小截面處，與前述有限元結(jié)果一致。

對(duì)比止裂孔修復(fù)組，高強(qiáng)螺栓修復(fù)組的疲勞壽命明顯提高。這是因?yàn)樵诩虞d初期，預(yù)緊力發(fā)揮作用從而在孔邊產(chǎn)生摩擦力，減小了孔邊循環(huán)應(yīng)變幅值，進(jìn)而延緩了裂紋的萌生。值得注意的是，雖然組別3 最終的疲勞源均位于止裂孔最小截面處，但是通過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)試件3-1和3-2首先出現(xiàn)墊圈疲勞裂紋和螺母疲勞裂紋，如圖14所示。由于此處位于裂紋缺口處，截面剛度在此發(fā)生突變，在局部應(yīng)力集中下成為疲勞易損點(diǎn)。隨后預(yù)緊力失效，高強(qiáng)螺栓止裂機(jī)制退化成單一鉆孔止裂機(jī)制，孔周邊發(fā)生應(yīng)力重分布，繼而最終破壞形態(tài)與組別2 相當(dāng)。而試件3-3 在最大荷載幅200kN 加載過(guò)程中發(fā)現(xiàn)螺栓墊圈周?chē)霈F(xiàn)暗紅色粉末，與鋼板間相對(duì)滑移明顯，可以斷定螺栓的預(yù)緊力提前損失，鋼板與墊圈之間的摩擦力尚未完全發(fā)生作用，說(shuō)明此時(shí)的疲勞荷載超出了預(yù)緊力下產(chǎn)生的摩擦力，從而使墊圈滑動(dòng)，而試件3-1和3-2在較小荷載幅條件下尚未發(fā)生墊圈滑移現(xiàn)象。

圖12 應(yīng)力幅變化規(guī)律Fig.12 The variation of stress range

圖13 試件最終破壞形態(tài)Fig.13 The final failure form of the specimens

圖14 高強(qiáng)螺栓止裂修復(fù)試件初始破壞細(xì)節(jié)Fig.14 The initial failure of the details for high-strength bolts repair method

以距試件邊緣45mm處應(yīng)變花所測(cè)應(yīng)力幅發(fā)生明顯變化或尖端應(yīng)變片破壞（兩者基本同步）為疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)，得到裂紋形成壽命（視為疲勞壽命）結(jié)果匯總于表2。在相同荷載幅情況下，止裂孔修復(fù)能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)疲勞壽命20 倍以上；對(duì)比試件2-1 和試件3-1，在止裂孔上施加了高強(qiáng)螺栓后，由此產(chǎn)生的摩擦力可以有效降低了循環(huán)荷載的應(yīng)力幅，其修復(fù)后的結(jié)構(gòu)疲勞壽命是單純止裂孔修復(fù)的9 倍以上，而高強(qiáng)螺栓墊圈滑移的結(jié)構(gòu)疲勞壽命明顯下降，是僅用止裂孔修復(fù)的4.7 倍，這是由于在加載一段時(shí)間后，在最大荷載幅200kN 作用下墊圈與鋼板發(fā)生明顯滑移導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力損失，喪失了部分摩擦力的提升優(yōu)勢(shì)?？紤]到實(shí)際工程中疲勞細(xì)節(jié)較少出現(xiàn)如此較大的應(yīng)力幅，因此采用高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)方法可以滿(mǎn)足工程需求。實(shí)際工程中也可對(duì)鋼板與螺栓墊圈接觸面進(jìn)行一定工藝處理（如噴砂除銹），保證不提前發(fā)生界面滑移失效以期增加試件的剩余疲勞壽命。

表2 試件的疲勞壽命Tab.2 Fatigue life of specimens

無(wú)修復(fù)組（組別1）初始裂紋長(zhǎng)度視為30mm（含缺口長(zhǎng)），其他組初始裂紋視為37mm，試驗(yàn)中以應(yīng)變片失效并配合目測(cè)判斷裂紋擴(kuò)展程度，分別記錄裂紋再次擴(kuò)展至45mm、60mm 和90mm 這3 個(gè)階段的循環(huán)次數(shù)，如圖15所示?？梢钥闯龈鱾€(gè)組別的鋼板疲勞裂紋擴(kuò)展的趨勢(shì)總體相同，應(yīng)力幅大疲勞壽命短。在疲勞裂紋形成以后，裂紋的擴(kuò)展速率加快，在10萬(wàn)次循環(huán)內(nèi)，試件便喪失繼續(xù)承載能力導(dǎo)致破壞。以150kN荷載幅下的試件為例分別計(jì)算各擴(kuò)展階段的平均裂紋擴(kuò)展速率，如圖16 所示?？梢钥闯觯鹘M別試件中各個(gè)階段的裂紋擴(kuò)展速率均在10-7～10-6m·C-1數(shù)量級(jí)別，屬于中速率裂紋擴(kuò)展區(qū)［23］。后一個(gè)階段的裂紋擴(kuò)展速率均比前一階段高，表明后期疲勞損傷加快。每個(gè)階段中各組別的試件裂紋擴(kuò)展速率相當(dāng)，表明采用止裂孔修復(fù)和高強(qiáng)螺栓修復(fù)雖然能延緩疲勞裂紋再次萌生，但對(duì)裂紋再次開(kāi)展后的速率影響較小。因此實(shí)際修復(fù)中應(yīng)避免止裂機(jī)制失效出現(xiàn)疲勞裂紋再開(kāi)裂。

4.3 各國(guó)規(guī)范關(guān)于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞性能評(píng)估

對(duì)于切割鋼板疲勞細(xì)節(jié)，我國(guó)鋼橋規(guī)范和歐規(guī)BS EN1993-1-9 Fatigue［2005］根據(jù)其邊緣是否修整將疲勞強(qiáng)度等級(jí)分為140MPa 或125MPa［24-25］。英國(guó)、日本疲勞設(shè)計(jì)指針規(guī)定為其疲勞等級(jí)為C，美國(guó)規(guī)范雖然沒(méi)有明確規(guī)定此疲勞細(xì)節(jié)強(qiáng)度等級(jí)，但可參考平面構(gòu)件軋制或清洗過(guò)表面的基材疲勞強(qiáng)度等級(jí)規(guī)定為A［26-28］。圖17將此次兩組修復(fù)后的疲勞試驗(yàn)結(jié)果與各國(guó)規(guī)范的S-N細(xì)節(jié)曲線(xiàn)進(jìn)行比較。由圖可知關(guān)于該細(xì)節(jié)的各疲勞曲線(xiàn)差異比較小。以測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生為疲勞失效判據(jù)時(shí)，止裂孔修復(fù)組的疲勞強(qiáng)度等級(jí)低于各國(guó)規(guī)范的要求，進(jìn)一步說(shuō)明該方法在修復(fù)具有初始裂紋的鋼板時(shí)并不能長(zhǎng)期有效阻止疲勞裂紋再擴(kuò)展，常作為臨時(shí)止裂措施，與相關(guān)研究結(jié)果一致［29］。除試件3-3外，高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)組試驗(yàn)值均落在S-N曲線(xiàn)上方，表明得到的疲勞細(xì)節(jié)明顯高于各國(guó)規(guī)范的級(jí)別要求，并可推測(cè)其循環(huán)200 萬(wàn)次的疲勞強(qiáng)度大于160MPa，具有優(yōu)異的抗疲勞性能。而在高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力提前失效的情況下，其仍?xún)?yōu)于英國(guó)規(guī)范規(guī)定的疲勞強(qiáng)度等級(jí)C。

圖15 裂紋擴(kuò)展曲線(xiàn)Fig.15 The curves of crack propagation

圖16 各階段裂紋擴(kuò)展速率Fig.16 Crack growth rate at each stage

圖17 疲勞修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果與S-N曲線(xiàn)Fig.17 Fatigue repair test results and S-N curves

5 結(jié)論

通過(guò)有限元分析和鋼板疲勞裂紋修復(fù)試驗(yàn)，對(duì)修復(fù)鋼板的應(yīng)力分布和不同修復(fù)方法下的結(jié)構(gòu)疲勞性能進(jìn)行研究得到以下結(jié)論：

（1）止裂孔孔徑增大一定程度上能改善疲勞性能，但效果趨緩，考慮止裂作用和削弱作用的平衡，推薦使用直徑14mm止裂孔。高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力可改變止裂孔孔邊的應(yīng)力分布，在30kN預(yù)緊力下孔邊疲勞易損點(diǎn)的應(yīng)力可降低40.8%，由此可延緩疲勞裂紋的萌生，具有比單一止裂孔修復(fù)較高的止裂優(yōu)勢(shì)。

（2）有限元結(jié)果表明鉆孔后鋼板的疲勞易損點(diǎn)出現(xiàn)在止裂孔最小截面處，并在試驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。對(duì)帶有初始裂紋的平鋼板進(jìn)行止裂孔修復(fù)后，其壽命是未修復(fù)前的20倍以上，而采用高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)后的疲勞壽命則是僅用止裂孔修復(fù)的9 倍以上。表明高強(qiáng)螺栓的應(yīng)用對(duì)止裂優(yōu)勢(shì)具有較大的提升。但兩種修復(fù)方法均只能延緩裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，對(duì)再次開(kāi)裂后的擴(kuò)展速率影響不大。

（3）采用止裂孔修復(fù)雖然能一定程度上延緩疲勞裂紋的再次萌生，但不足以滿(mǎn)足各國(guó)規(guī)范規(guī)定的200 萬(wàn)次循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度。而采用高強(qiáng)螺栓止裂法修復(fù)后的疲勞細(xì)節(jié)顯著高于AASHTO 中A 類(lèi)等級(jí)，可推測(cè)其200 萬(wàn)次循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度高于160MPa，故推薦高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)作為鋼橋中平面鋼板裂紋修復(fù)的有效選擇之一。