（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

正交異性鋼橋面板疲勞裂紋錘擊閉合修復(fù)試驗

王秋東，吉伯海，袁周致遠，葉 枝，傅中秋

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098）

針對正交異性鋼橋面板頂板與U肋連接焊縫疲勞構(gòu)造細節(jié)，選取了3個已有焊根疲勞裂紋的局部足尺試件（ICR 1，ICR 2和DB 1）作為研究對象，對ICR 1和ICR 2進行裂紋錘擊閉合處理（ICR處理）及維護后疲勞加載.對DB 1的一半疲勞裂紋進行ICR處理，并沿垂直裂紋方向切開，獲取原始裂紋斷面及錘擊后裂紋斷面，采用金相顯微鏡對錘擊深度、淺層組織金相等進行分析.研究結(jié)果表明：ICR處理可大幅提高原始裂紋的擴展壽命；在ICR處理區(qū)域兩側(cè)均會萌生新的疲勞裂紋，新裂紋的擴展壽命大于原始裂紋；ICR處理后，原始裂紋開口得到了較好的閉合，重新形成共同受力的結(jié)構(gòu)；ICR處理可使試件表面母材發(fā)生明顯的塑性流動，產(chǎn)生偏向于焊根、沿板厚方向的擠壓效果.

正交異性鋼橋面板；疲勞裂紋；錘擊閉合處理；擴展斷面；擴展壽命；塑性變形

正交異性鋼橋面板因具有自重輕、強度高、穩(wěn)定性好、制作施工方便等優(yōu)點，在大跨徑纜索體系橋梁中得到了廣泛運用［1］.但其構(gòu)造復(fù)雜，各部件多采用焊接連接，生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生焊接缺陷.隨著橋梁服役年限的增加，在焊接缺陷、車輛荷載、橋位環(huán)境、施工質(zhì)量及早期設(shè)計對正交異性橋面板裂紋萌生機理認識不足等綜合影響下，橋梁結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)出鋪裝層破壞、局部腐蝕、疲勞裂紋等［2］病害.

自英國Severn橋的鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開裂以來，國內(nèi)外學(xué)者針對疲勞開裂展開了大量的研究，提出有止裂孔法、裂紋焊合法、鋼板補強法等常見的疲勞裂紋維護方法［3－4］.近年有學(xué)者提出了裂紋錘擊閉合處理技術(shù)（impact crack closure retrofit，ICR），其基本原理是利用氣動工具高速沖擊后產(chǎn)生的塑性變形使開口的裂紋產(chǎn)生閉合，同時引入殘余壓應(yīng)力改善裂紋表面的受力狀況［5－6］.文獻［7］研究表明，ICR處理能使疲勞裂紋產(chǎn)生有效的閉合，延緩裂紋的進一步擴展，有效提高構(gòu)件的疲勞壽命.文獻［8－9］進行了頂板與豎向加勁肋試件的ICR試驗，研究結(jié)果表明該方法可顯著提升已有裂紋試件的疲勞壽命，起到較好的維護效果.

目前，國內(nèi)ICR技術(shù)的研究尚處于起步階段，且正交異性鋼橋面板具有較多的易疲勞細節(jié).為此本研究針對正交異性鋼橋面板的頂板與U肋連接焊縫疲勞細節(jié)，選取前期疲勞試驗中已有焊根疲勞裂紋的試件作為研究對象，采用ICR技術(shù)對焊根疲勞裂紋進行維護，并開展維護后疲勞試驗，分別從裂紋擴展壽命、剩余疲勞壽命、裂紋微觀閉合情況等角度對ICR技術(shù)的維護效果進行初步評價.

1 試驗概況

1.1 試 件

本研究所用試件為鋼箱梁頂板與U肋疲勞細節(jié)局部試件，試件及主要幾何參數(shù)如圖1所示［10］.試驗選取了3個已有焊根疲勞裂紋（原始裂紋）的試件，分別記為ICR 1，ICR 2和DB 1，原始裂紋位置如圖1a所示.試件制作采用Q345qD橋梁用鋼，焊接工藝為CO2氣體保護焊，焊縫熔透率100%.試件分組及原始裂紋情況見表1.原始裂紋由前期疲勞試驗得到，前期疲勞試驗的疲勞加載應(yīng)力幅為80 MPa.ICR 1和ICR 2先后進行ICR處理及維護后疲勞加載，DB 1僅進行ICR處理，且在維護后沿垂直于焊縫方向切開，觀察ICR處理后的裂紋閉合情況.

表1 試件分組及原始裂紋情況

1.2 ICR處理試驗

1.2.1 處理設(shè)備

ICR處理設(shè)備主要由空氣壓縮機和錘擊作動頭組成.試驗時控制空氣壓縮機的氣壓為0.8 MPa，選用作動頭端部的尺寸為4 mm×5 mm，錘擊頻率為90 Hz.操作時使作動頭端部緊貼待錘擊區(qū)域，沿焊根裂紋方向先后進行兩道ICR處理，直至裂紋表面完全閉合.

1.2.2 部分U肋切除影響分析

試件原始疲勞裂紋位于焊根位置，由于錘擊作動頭長度有限，在U肋的遮擋下無法對焊根裂紋進行有效地錘擊處理.采取切除2／3肋板的處理方法，即僅保留原U肋的1／3.為分析切除肋板對疲勞試驗中試件焊根處應(yīng)力分布的影響，采用ANSYS軟件分別建立如圖2所示的完整試件模型和切除肋板試件模型，施加等效荷載，并分析焊根處應(yīng)力分布情況.模型單元為SOLID186，焊縫區(qū)域進行網(wǎng)格細化，其他區(qū)域采用較粗網(wǎng)格進行劃分.模型邊界條件與實際疲勞試驗一致，試件一端為固定端，另一端為自由端.考慮到本次建模目的是分析切除肋板前后焊跟的應(yīng)力變化，采用靜載（面荷載）施加于實際疲勞荷載作用位置，荷載0.74 N·mm－2.將實際試驗中的疲勞荷載簡化為面荷載，根據(jù)疲勞試驗機與試件的接觸位置在模型中建立接觸面，并施加靜力荷載.

圖2 有限元模型

將焊根進行300等分得到301個采集點，提取每一個采集點的應(yīng)力，得到焊根應(yīng)力分布曲線，如圖3所示.

圖3 焊根應(yīng)力分布曲線

由圖3可知，完整試件模型焊根處應(yīng)力分布曲線近似為拋物線，切除肋板試件模型焊根處應(yīng)力分布曲線近似為π形，總體上兩者均呈現(xiàn)出兩邊應(yīng)力小、中間應(yīng)力大的分布特點，差別不大.表2為兩個試件焊根處的應(yīng)力極值比較.由表2可知，其最大值與最小值之差均在5 MPa以內(nèi)，相差不大，表明切除試件肋板這一試驗方案是可行的.

表2 不同工況試件焊根極值應(yīng)力比較 MPa

1.2.3 ICR處理

切除各試件的2／3肋板，然后采用ICR試驗裝置沿裂紋縱向先后進行兩道ICR處理，作動頭錘擊的起點和終點位置距離原始裂紋尖端的距離為10 mm，形成長度分別為138，124 mm的ICR修復(fù)區(qū)域.ICR處理步驟及兩道ICR處理后試件焊根處的情況如圖4所示.ICR處理過程中出現(xiàn)了金屬碎屑飛濺的情況，且ICR修復(fù)區(qū)域產(chǎn)生了明顯的凹陷痕跡，初步表明ICR處理使原始裂紋表面的鋼材產(chǎn)生了塑性流動.

圖4 ICR處理示意圖

1.3 維護后疲勞加載

采用振動型疲勞試驗機對ICR處理后的試件進行疲勞加載，ICR 1和ICR 2的加載頻率與原始試件保持一致，分別為15.3 Hz和15.7 Hz，對應(yīng)于原始試件80 MPa的疲勞加載應(yīng)力.應(yīng)變片粘貼位置如圖5所示.疲勞加載情況如圖6所示.

圖5 應(yīng)變片粘貼示意（單位：mm）

圖6 疲勞加載情況

試驗過程中，采用動態(tài)氣泡指示法輔助觀察裂紋擴展情況，記錄裂紋的擴展長度及對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù).為分析裂紋擴展過程中焊根處應(yīng)力變化情況，在ICR修復(fù)區(qū)域兩側(cè)對稱設(shè)置兩組熱點應(yīng)力測點及兩組名義應(yīng)力測點，其距離ICR修復(fù)區(qū)域邊緣的距離分別為5.0，10.0 mm.熱點應(yīng)力測點采用三點外推法布置，應(yīng)變片距離焊根處5.6，12.6，19.6 mm，名義應(yīng)力測點距離焊根處5.0 mm.

2 結(jié)果與分析

2.1 裂紋擴展斷面

疲勞加載過程中ICR 1，ICR 2在ICR處理區(qū)域兩側(cè)均萌生了新疲勞裂紋，因此選取ICR 1，采用機械切割的方法沿焊根切割至距離新裂紋尖端10 mm處，再采用液壓千斤頂將其沿焊根處折斷，獲得ICR 1和ICR 2的裂紋擴展斷面，如圖7所示.

圖7 裂紋擴展斷面

由圖7可知，疲勞加載過程中原始裂紋發(fā)生了二次擴展，但原始裂紋斷面的輪廓線存在一個突變點，表明ICR處理后，原始裂紋的再次擴展速率發(fā)生了較大變化.新裂紋擴展區(qū)并未呈現(xiàn)明顯的半橢圓形特點，而是在靠近ICR處理區(qū)域一側(cè)存在明顯的擠壓區(qū)，且擠壓區(qū)的新裂紋斷面輪廓線的曲率顯著大于另一側(cè)，即新疲勞裂紋向ICR處理區(qū)域一側(cè)的擴展受到了阻礙，這可能是由于ICR處理在錘擊區(qū)域表面引入的殘余壓應(yīng)力延緩了新裂紋向該區(qū)域的擴展.

2.2 裂紋擴展壽命

由于頂板與豎向加勁肋試件ICR處理后的疲勞加載中，僅原始裂紋再次發(fā)生了擴展［9］，因此，在初次進行ICR 1的ICR試驗時，并沒有重點觀察ICR處理區(qū)兩側(cè)的裂紋擴展情況，且ICR 1修復(fù)區(qū)右側(cè)的新裂紋擴展現(xiàn)象不明顯，裂紋擴展長度未作記錄.ICR 1和ICR 2的裂紋擴展情況如圖8所示.

圖8 裂紋擴展壽命曲線

由圖8可知，ICR處理前后的原始裂紋擴展曲線存在一個明顯的突變點，突變點右側(cè)的裂紋擴展曲線接近于水平發(fā)展，即ICR處理后原始疲勞裂紋幾乎沒有發(fā)生擴展，表明ICR處理起到了延緩原始裂紋擴展的作用，ICR處理后原始裂紋的擴展壽命得到了大幅提高.此外，ICR處理區(qū)域兩側(cè)的新疲勞裂紋擴展曲線的斜率小于相同長度下原始裂紋擴展曲線的斜率，這是由于ICR處理引入的殘余壓應(yīng)力等因素延緩了新疲勞裂紋向ICR處理區(qū)域的擴展.

2.3 測點應(yīng)力變化

熱點應(yīng)力的計算采用三點外推法，即

式中：σhs為采用三點二次外推法計算出的應(yīng)力；σ0.4t，σ0.9t和σ1.4t分別為距離焊跟0.4t，0.9t和1.4t處的應(yīng)力，t為試件頂板的厚度，取14 mm.ICR 1，ICR 2的名義應(yīng)力變化曲線、熱點應(yīng)力變化曲線如圖9所示.

新疲勞裂紋萌生于名義應(yīng)力測點對應(yīng)的焊根位置，由圖9a中可以看出，裂紋萌生后相應(yīng)的名義應(yīng)力逐漸降低，表明該位置的局部疲勞性能逐漸下降.隨著新疲勞裂紋的萌生，相應(yīng)的熱點應(yīng)力也逐漸下降，且熱點應(yīng)力曲線的變化趨勢與名義應(yīng)力基本一致，如圖9b所示.此外，ICR 1，ICR 2的名義應(yīng)力初值均位于80～90 MPa，即相同加載頻率下，ICR處理后試件的名義應(yīng)力與原始試件基本一致，表明ICR處理使裂紋產(chǎn)生了有效閉合，重新形成了共同受力的結(jié)構(gòu).

圖9 測點應(yīng)力變化曲線

3 微觀金相分析

3.1 錘擊深度

采用金相顯微鏡及配套軟件獲取試件錘擊表面的圖像，以測量ICR的錘擊深度，如圖10所示，其中第1道ICR處理緊貼焊根位置，錘擊面與試件頂板表面呈一定角度，測量錘擊深度時缺乏合理的參照面，因此僅獲取部分區(qū)域示意.由圖10可知，ICR處理使錘擊區(qū)域材料產(chǎn)生了明顯的擠壓效果，部分區(qū)域錘擊深度可達0.41 mm，由此表明ICR處理在錘擊區(qū)域引入了一定程度的殘余壓應(yīng)力，從而改善了錘擊部位的應(yīng)力狀態(tài).

圖10 錘擊深度

3.2 裂紋微觀斷面

對試件DB 1的一半疲勞裂紋進行了ICR修復(fù)試驗，另一半疲勞裂紋未作處理.沿垂直于ICR修復(fù)區(qū)域和非ICR修復(fù)區(qū)域疲勞裂紋的方向進行切割，將得到的兩個斷面進行打磨處理，并采用奧林巴斯金相顯微鏡的5倍物鏡對疲勞裂紋進行觀察，用配套的軟件獲取靠近試件表面的疲勞裂紋圖像.兩斷面裂紋寬度變化情況如圖11所示.

圖11 裂紋微觀斷面

將圖11a，b中的裂紋沿板厚方向5等分，采用配套的金相軟件測量等分點的裂紋寬度，并取其平均值，得到原始裂紋的寬度均值為32.5μm.ICR處理后，裂紋寬度均值為12.3μm，較前者降低了約62.2%，表明ICR處理使裂紋產(chǎn)生了一定的閉合.非修復(fù)區(qū)裂紋開口呈倒L形，而修復(fù)區(qū)裂紋開口呈咬合形，即修復(fù)區(qū)裂紋開口位置產(chǎn)生了一定的偏移，表明ICR處理使裂紋外側(cè)的鋼材向焊根位置產(chǎn)生了一定程度的擠壓效果.同法獲取裂紋閉合過渡段的寬度如圖11c所示.等分點處的裂紋寬度依次為10.5，16.8，25.1，34.6和44.0μm，表征了ICR處理效果隨裂紋深度變化而逐漸減小.圖11b中裂紋開口處并沒有形成一個整體，可能是由于在焊根處切割產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，導(dǎo)致已閉合的裂紋再次張開.

3.3 錘擊區(qū)域金相

對金相試件表面進行的打磨拋光處理，然后采用硝酸酒精溶液進行腐蝕，10 s后用清水沖洗腐蝕斷面，并放于金相顯微鏡下觀察，如圖12所示.

采用50倍物鏡對未處理區(qū)域、ICR錘擊區(qū)域的表面附近區(qū)域進行觀察，獲取相應(yīng)區(qū)域的局部金相圖片.由圖12a，b可知，未處理表面的金相組織為典型的熱軋鋼組織形態(tài)，而錘擊表面的珠光體、鐵素體則產(chǎn)生了不同程度的壓縮.圖12c為5倍物鏡下的宏觀金相.由圖12c可知，錘擊處理后，試件表面附近的金相組織呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象：試件表層為ICR錘擊直接作用區(qū)域，該區(qū)域金相組織紋理走向基本垂直于錘擊方向；中部區(qū)域為過渡區(qū)，該區(qū)域金相組織既存在紋理狀分布，也存在顆粒狀分布；最下層為無影響區(qū)，由于錘擊能量傳遞深度有限，該區(qū)域金相組織未發(fā)生變化，仍為典型的顆粒狀分布.

圖12 金相分析

4 結(jié) 論

1）針對鋼橋面板與U肋對接焊縫焊根的疲勞裂紋，進行了ICR維護試驗.結(jié)果表明：ICR處理后焊根原始裂紋的擴展壽命得到大幅提高；在ICR處理區(qū)域兩側(cè)均會萌生新疲勞裂紋，新裂紋擴展壽命大于相同長度下原始裂紋的擴展壽命.

2）相同加載頻率下，ICR 1和ICR 2的名義應(yīng)力初值與原始試件基本一致，表明ICR處理使原始裂紋產(chǎn)生閉合，閉合的疲勞裂紋較好傳遞疲勞荷載.

3）ICR處理區(qū)域存在明顯的錘擊塑性變形，維護后，原始裂紋開口位置向焊根一側(cè)偏移，且在錘擊淺層區(qū)域形成了垂直于錘擊方向的壓縮狀組織紋理，表明ICR處理可使試件表面母材發(fā)生明顯的塑性流動，產(chǎn)生偏向于焊根、沿板厚方向的擠壓效果.

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ICR treatment experiment for fatigue cracks of orthotropic steel bridge deck

WANGQiudong，JIBohai，YUANZHOU Zhiyuan，YE Zhi，F(xiàn)U Zhongqiu
（College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

Three local full scale specimenswith fatigue cracks on weld root of ICR 1，ICR 2 and DB 1 were investigated for the deck U rib weld of orthotropic steel bridge deck.The fatigue loading after impact crack closure retrofit treatment（ICR treatment）was conducted on ICR 1 and ICR 2.The half fatigue crackswere processed by ICR treatment，and the specimen was cut along the direction vertical to crack propagation to obtain the initial crack section and the section after treatment.The treatment depth and the superficial tissue were analyzed by themetalloscope.The results show that the propagation life of initial cracks is sharply increased after ICR processing.New fatigue cracks generate in both sides of areas processed by ICR，and the propagation life of new cracks is greater than that of initial cracks.The initial cracks are closed well and bear force with basemetal as a whole structure after ICR treatment.The ICR treatment can lead to apparent plastic flow of superficial base metal，where the compression generates towards the weld root and deck thickness.

orthotropic steel bridge deck；fatigue crack；impact crack closure retrofit；extension section；extension life；plastic deformation

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.016

U443.32

A

1671－7775（2018）01－0096－06

王秋東，吉伯海，袁周致遠，等.正交異性鋼橋面板疲勞裂紋錘擊閉合修復(fù)試驗［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，39（1）：96－101.

2016－10－10

國家自然科學(xué)基金面上資助項目（51478163）；江蘇省交通科學(xué)研究計劃項目（2013Y10－1，2014Y02）

王秋東（1993—），男，安徽滁州人，博士研究生（qiudongw＠outlook.com），主要從事鋼橋疲勞與維護研究.吉伯海（1966—），男，江蘇揚州人，教授（hhbhji＠163.com），主要從事鋼橋疲勞與維護研究.

（責(zé)任編輯 趙 鷗）