雙高強(qiáng)螺栓止裂法對(duì)疲勞性能的影響研究*

張運(yùn)來(lái)，孟祥峰，張 行

(長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064)

0 引 言

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]。橋梁在服役期間，由于車(chē)流和風(fēng)力的作用，處于交變載荷下工作，即橋梁在疲勞載荷下服役[2]。金屬構(gòu)件在服役過(guò)程中承受疲勞載荷，最終會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，立刻更換新部件往往會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，因此，研究人員提出了多種方法來(lái)延長(zhǎng)含裂紋構(gòu)件的疲勞壽命。鉆止裂孔是含裂紋構(gòu)件疲勞延壽的常用方法，通過(guò)改變應(yīng)力分布及裂尖鈍化的方式達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。但是傳統(tǒng)的鉆孔止裂法僅僅只是去除應(yīng)力高度集中的裂紋尖端，若繼續(xù)施加較大的應(yīng)力幅，孔邊將產(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。日本學(xué)者提出了高強(qiáng)螺栓止裂孔法[3]，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。

文獻(xiàn)[4]探究了高強(qiáng)度螺栓止裂法對(duì)鋼板疲勞受力的影響，基于帶裂紋鋼板的有限元模型探究孔徑和螺栓預(yù)緊力參數(shù)對(duì)修復(fù)后鋼板的應(yīng)力分布和止裂機(jī)理的影響。隨后對(duì)修復(fù)后的預(yù)裂鋼板進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了不同修復(fù)方法下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命。認(rèn)為采用止裂孔法和高強(qiáng)螺栓止裂法均能延長(zhǎng)損傷鋼板的疲勞壽命，但高強(qiáng)螺栓止裂孔修復(fù)效率更優(yōu)。

目前研究大多集中在單一螺栓止裂效果，對(duì)于雙螺栓止裂或多螺栓止裂研究較少，因此本文采用雙螺栓止裂，通過(guò)在裂縫尖端和路徑上分別打孔并加入高強(qiáng)度螺栓，探究其對(duì)含裂紋鋼板疲勞性能的影響，并闡明其止裂機(jī)理。

1 有限元模型建立

有限元模型采用圖1中的620 mm×230 mm的啞鈴型板件(中間部分尺寸為380 mm×160 mm)，厚度為12 mm。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》(GBT6398-2017)選取。裂紋長(zhǎng)度為15 mm，材料選取Q345，彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.28。定義止裂孔中心距裂紋起始點(diǎn)的距離為m，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)鋼板試件尺寸和缺口尺寸(單位：mm)

模型采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建立，鋼板厚度為12 mm，荷載F=40 kN。對(duì)于止裂孔模型，在裂紋尖端(m=15 mm)設(shè)置直徑為5 mm的止裂孔，孔的中心與裂紋尖端重合。對(duì)于單高強(qiáng)度螺栓止裂，在止裂孔的基礎(chǔ)上擰上預(yù)緊力為4 kN的高強(qiáng)度螺栓。對(duì)于雙高強(qiáng)度螺栓止裂模型，在m=5 mm和m=15 mm處分別打孔，并擰上預(yù)緊力為4 kN的高強(qiáng)度螺栓。高強(qiáng)度螺栓采用實(shí)體單元C3D8R模擬，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28。采用疲勞缺口系數(shù)Kf來(lái)表征修復(fù)鋼板的止裂效果。

2 有限元結(jié)果分析

采用有限元方法計(jì)算得到的不同條件下的最大主應(yīng)力值，如圖2所示。圖2分別顯示了止裂孔，單螺栓止裂和雙高強(qiáng)度螺栓止裂的應(yīng)力云圖，如圖可以看出高強(qiáng)度螺栓的加入改變了止裂孔附近的最大主應(yīng)力的分布。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。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。但施加高強(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2 不同止裂修復(fù)條件下最大主應(yīng)力分布

通過(guò)計(jì)算不同方法下模型的最大應(yīng)力，利用應(yīng)力集中系數(shù)Kt和疲勞缺口系數(shù)Kf來(lái)表征修復(fù)鋼板的止裂效果[5]，應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響由代表疲勞強(qiáng)度下降時(shí)間的疲勞缺口系數(shù)Kf決定，而不是代表間隙峰值應(yīng)力增加的應(yīng)力集中系數(shù)Kt決定[6]。與應(yīng)力集中系數(shù)相比，疲勞缺口系數(shù)既考慮了任意間隙的幾何條件，又考慮了材料的種類(lèi)。

式中：σmax為計(jì)算得到的實(shí)際最大應(yīng)力；c為與材料有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于Q345型鋼，c=0.45；ρ為孔的曲率半徑；F為施加荷載；W為模型的寬度；t為模型厚度；a為裂紋的長(zhǎng)度。

將以上計(jì)算結(jié)果匯總于表1。隨著高強(qiáng)度螺栓的加入，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。具體原因?yàn)殇摪灞砻媾c螺栓墊板之間產(chǎn)生的摩擦力遏制了裂紋的張開(kāi)。

表1 不同條件下修復(fù)模型應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞缺口系數(shù)

3 結(jié) 論

文中采用高強(qiáng)度螺栓止裂的方法，通過(guò)有限元仿真，研究加入高強(qiáng)度螺栓后其主應(yīng)力分布的變化以及疲勞缺口系數(shù)Kf的變化。分析其改善疲勞性能的原因。主要得出以下結(jié)論：

(1) 高強(qiáng)度螺栓止裂法一定程度上能改善疲勞性能，且雙螺栓止裂效果要由于單螺栓止裂修復(fù)。

(2) 高強(qiáng)度螺栓的加入使得鋼板表面與螺栓墊板之間產(chǎn)生了摩擦力，從而遏制了裂紋的張開(kāi)。

(3) 將雙高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用于含裂紋鋼結(jié)構(gòu)橋梁等結(jié)構(gòu)，能夠延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。