止裂孔復合加固單邊裂紋鋼板疲勞性能研究*

王賢強， 楊 羿， 劉 朵， 張建東， 陳春霖

(1 蘇交科集團股份有限公司 在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室， 南京 211112；2 東南大學土木工程學院， 南京 211189； 3 河海大學土木工程學院， 南京 210024)

0 引言

近年來，隨著我國鋼結構橋梁建設的大力推廣，正交異性鋼橋面板憑借自重輕、承載力高的優(yōu)點得到廣泛應用。正交異性鋼橋面板是用縱橫向互相垂直的加勁肋(縱肋和橫隔板)連同橋面板所組成的共同承受車輪荷載的結構，其剛度在互相垂直的兩個方向上不同，造成構造上的各向異性。由于正交異性鋼橋面板構造復雜、焊縫數(shù)量眾多，在車輛荷載反復作用下，容易產(chǎn)生疲勞開裂[1]。據(jù)美國土木工程師學會疲勞和斷裂分委會的調查結果，80%～90%的鋼結構破壞與疲勞有關。正交異性鋼橋面板的疲勞問題已嚴重影響結構耐久性和使用壽命，其中，萌生于橫隔板弧形開口和橫隔板與U形肋連接焊縫位置向橫隔板母材擴展的疲勞裂紋是正交異性鋼橋面板的主要疲勞病害之一，部分鋼箱梁橫隔板疲勞裂紋的占比達到70%以上[2]。橫隔板(圖1)疲勞裂紋具有平板型貫穿的特性，如果不進行及時處治，裂紋會快速擴展，嚴重降低局部受力性能。因此，該類疲勞裂紋的防治和加固引起了國內外學者與工程師的廣泛關注。

圖1 橫隔板典型疲勞裂紋示意圖

目前，常用的疲勞裂紋加固方法主要有鉆孔止裂、沖擊閉合、粘貼CFRP、粘貼鋼板、栓接鋼板等[3]。姚悅等[4]分析了鉆孔后孔邊萌生裂紋的起裂點、擴展路徑與測點應力變化，對比了不同止裂孔孔位及孔徑對試件剩余疲勞壽命的影響。YUANZHOU等[5]通過模型試驗驗證了沖擊閉合法的適用性，分析了沖擊閉合法加固時疲勞裂紋與沖擊區(qū)域的合理距離。王海濤等[6]通過試驗測試分析了CFRP加固鋼板的疲勞性能，優(yōu)化了CFRP的布置形式，并探討了CFRP的加固機理。李粒琿等[7]分析了CFRP粘貼層數(shù)對疲勞壽命、裂紋擴展情況、斷裂時碳纖維布與鋼板之間的協(xié)同工作情況的影響。MOHAJER等[8]以含預制缺陷的鋼板為研究對象，對比了非強化及強化后(粘結CFRP、錨固預應力CFRP)的裂紋擴展狀態(tài)，分析了粘結滑移對加固效果的削減作用。王春生等[9]提出冷連接鋼板的冷維護方法，對橫隔板挖孔細節(jié)、縱肋與橫隔板連接細節(jié)采用等邊角鋼進行加固，對實橋正交異性鋼橋面板冷維護效果進行了評價。然而，止裂孔加固后會重新出現(xiàn)應力集中引起止裂孔開裂，通常作為臨時性處治措施或其他加固方法的預處理工藝。目前，大多數(shù)學者針對單一加固方法的疲勞性能進行驗證，并開展參數(shù)優(yōu)化設計，未對比分析止裂孔與粘貼CFRP、粘貼鋼板等組成復合加固方法的疲勞性能，尤其是針對橫隔板平面貫穿裂紋的止裂孔復合加固方法的有效性和疲勞壽命有必要進行深入研究。相關學者對高強螺栓與止裂孔復合加固方法進行了探索，取得了良好的加固效果。CHAKHERLOU等[10]采用高強螺栓加固了含中心裂紋試板，有效降低了裂紋尖端應力強度因子。ISHIKAWA等[11]通過在長裂紋路徑上設置高強螺栓，阻止裂縫張開，有效減小了止裂孔周圍應力。JIANG等[12]通過試驗測試對比了止裂孔與栓接止裂孔加固鋼板的疲勞壽命，并對加固參數(shù)進行了優(yōu)化。

本文針對止裂孔復合加固方法進行了試驗研究，以含單邊初始裂紋的鋼板為研究對象，對僅止裂孔加固和復合加固鋼板進行了疲勞測試，主要對比分析了復合加固方法的失效模式、裂紋擴展規(guī)律和疲勞性能，優(yōu)選得出了理想的橫隔板疲勞裂紋加固方法，并基于有限元仿真分析，揭示了其加固機理。

1 試驗設計與測試

1.1 材料性能

試件采用10mm厚Q345qD結構鋼制作，粘貼用CFRP布厚度為0.5mm，試驗材料的力學性能指標如表1所示。

試驗材料力學性能 表1

1.2 試件制作

參照《金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法》(GB/T 6398—2017)[13]制作試件，鋼板試件尺寸為680mm×120mm×10mm(長×寬×厚)，在試件長邊側采用數(shù)控機床切割20mm開口誘導疲勞裂紋擴展，通過MTS疲勞試驗機進行豎向循環(huán)拉伸加載，應力幅為80MPa，疲勞裂紋擴展至20mm長度后停止加載，循環(huán)加載次數(shù)為2.6萬次。在裂紋尖端位置鉆取直徑13mm的止裂孔，止裂孔孔心與預制裂紋尖端重合，且距鋼板試件預制開口邊的距離為40mm，如圖2所示。

圖2 試件構造與尺寸

共設計制作4個試件，具體如表2所示。Ua試件僅進行鉆孔止裂處治，作為基準試件；S1試件采用粘貼CFRP布加固，在鋼板試件一面用E-44環(huán)氧樹脂膠粘貼雙層CFRP布，CFRP布尺寸為400mm×120mm(長×寬)；S2試件采用栓接止裂孔加固，高強螺栓規(guī)格為M12，強度等級為8.8級，穿過止裂孔施擰高強螺栓至標準扭矩；S3試件采用粘貼鋼板加固，鋼板選取與母材一致的Q345qD鋼，鋼板尺寸(長×寬×厚)為400mm×120mm×10mm，表面處理后采用環(huán)氧樹脂膠進行粘貼。試件加固處理如圖3所示。

試件加固方式與處理措施 表2

圖3 試件加固示意圖

1.3 試驗測試

為了確定車輛荷載作用下橫隔板弧形開口處的應力水平，建立正交異性鋼橋面板有限元模型進行仿真應力分析，如圖4所示。按照公路Ⅰ級車輛疲勞荷載進行加載，橫隔板弧形開口處出現(xiàn)應力集中區(qū)域，最大主應力為92.6MPa，以此確定試件加載應力水平。試驗加載裝置采用MTS647疲勞試驗機，測試試件在試驗機上中點對稱加載，施加正弦波均布拉伸荷載，加載頻率為8Hz，應力幅為80MPa，應力比為0.2，最大應力σmax為100MPa，最小應力σmin為20MPa。

圖4 正交異性鋼橋面板有限元仿真應力分布/Pa

為了監(jiān)測疲勞加載過程中關鍵位置應力變化與裂紋擴展位置，在試件粘貼面背面裂紋擴展路徑上布置3個應變片，應變片電阻值為120Ω，靈敏系數(shù)為2.0，采用應變測試儀進行應變數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。1-1應變片布置在止裂孔邊緣，應變片中心距止裂孔邊緣或墊片外緣3mm，敏感柵尺寸(長×寬)為5mm×2.8mm；1-2和1-3應變片中心距鋼板試件邊緣分別為60mm和70mm，敏感柵尺寸(長×寬)均為20mm×3.0mm，如圖5所示。加載過程中，疲勞裂紋擴展到應變片位置時，應變片的數(shù)值會發(fā)生突變。當疲勞裂紋完全貫穿鋼板整個寬度后，定義為試件失效，停止疲勞加載。

圖5 試件加載與應變片布置

2 試驗結果分析

2.1 疲勞失效模式

循環(huán)荷載作用下試件的疲勞破壞模式如圖6所示，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞裂紋越過止裂孔繼續(xù)擴展直至斷裂，裂紋擴展方向與施加荷載方向垂直。僅止裂孔加固的Ua試件疲勞裂紋從止裂孔邊緣應力集中點處重新擴展，止裂孔失效；粘貼CFRP加固的S1試件失效模式為CFRP與鋼板間的粘貼樹脂膠開裂脫粘，疲勞加載初期，CFRP和鋼板能夠共同受力，隨著疲勞荷載次數(shù)的增加，CFRP開始剝離，復合加固機制退化成單一的止裂孔加固機制，隨著剝離失效區(qū)域的擴大，裂紋不斷擴展直至斷裂；栓接止裂孔加固的S2試件墊片受到累積損傷在裂紋側先行開裂，高強螺栓的預緊力大幅降低，栓接止裂孔的加固機制退化成單一的止裂孔加固，之后疲勞裂紋的擴展與Ua試件相同；粘貼鋼板加固的S3試件的失效模式與粘貼CFRP加固的S1試件類似，失效主要由于粘貼鋼板和加固鋼板間樹脂膠的脫粘剝離，對于粘貼鋼板和CFRP等粘貼類加固措施，粘貼膠的性能和施工質量是保證加固效果的控制重點。

圖6 加固試件失效模式

2.2 裂紋擴展規(guī)律

止裂孔邊緣1-1應變片在100MPa拉力荷載作用下的應變值如圖7所示，止裂孔加固后孔邊應變?yōu)? 624με，復合加固后孔邊應變降低至1 142～1 718με，復合加固顯著降低了止裂孔孔邊應力集中程度，應力集中水平降低達69.5%。根據(jù)應變片失效情況記錄了疲勞裂紋擴展至應變片與斷裂的疲勞循環(huán)次數(shù)，疲勞裂紋擴展變化如圖8所示?？梢钥闯觯诹鸭y一旦再次出現(xiàn)，裂紋會急速發(fā)展。不同復合加固方法的裂紋擴展規(guī)律具有相似性，復合加固有效延緩了疲勞裂紋再擴展時間，并對裂紋擴展速率產(chǎn)生影響，疲勞裂紋擴展速率從大到小依次為止裂孔>粘貼CFRP>栓接止裂孔>粘貼鋼板。

圖7 加固試件靜載作用1-1應變值

圖8 加固試件疲勞裂紋擴展變化

2.3 疲勞性能對比

加固試件的疲勞壽命測試結果如表3所示，其中再擴展壽命為疲勞裂紋越過止裂孔再次擴展的疲勞荷載循環(huán)次數(shù)，失效壽命為疲勞裂紋完全貫穿整個鋼板寬度時所經(jīng)歷的荷載循環(huán)次數(shù)。

復合加固試件疲勞壽命 表3

由圖9所示，復合加固試件的再擴展疲勞壽命達到止裂孔加固試件的3.6～15.8倍，說明復合加固在鉆孔止裂的基礎上降低了應力集中，有效延緩了裂紋的再次擴展。栓接止裂孔和粘貼鋼板的再擴展疲勞壽命是止裂孔加固的6.8倍和15.8倍，優(yōu)于粘貼CFRP加固效果，CFRP布較薄，環(huán)氧樹脂膠粘結性能難以保證，CFRP與鋼板間的樹脂膠成為疲勞破壞的薄弱位置。試件疲勞失效壽命如圖10所示，與再擴展疲勞壽命具有類似規(guī)律，栓接止裂孔和粘貼鋼板的疲勞失效壽命優(yōu)于粘貼CFRP的疲勞失效壽命，其疲勞失效壽命分別為止裂孔加固的4.9倍和14.4倍，顯著提高了裂紋鋼板整體疲勞壽命。

圖9 加固試件裂紋再擴展壽命

圖10 加固試件疲勞失效壽命

2.4 加固方法適用性分析

鉆孔止裂能明顯緩解裂紋尖端的應力集中，適用于臨時性加固，往往會發(fā)生再次開裂現(xiàn)象，導致止裂孔失效，但憑借其構造簡單、施工便捷的優(yōu)勢依然廣泛應用，尤其適合單裂紋的臨時處治。粘貼CFRP和鋼板適用于面積型的裂紋病害處理，但加固效果嚴重依賴于粘貼質量，結構膠性能和施工工藝水平成為其應用的限制條件。

正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的修復與加固基本遵循以下原則：1)經(jīng)處理之后裂紋對結構的影響基本消除；2)加固措施基本不會對原結構產(chǎn)生新的損傷；3)補強加固選材合理，具有工程可實施性，構造設計力求簡單，不應引起過大的應力集中；4)對正常運營的干擾盡量降低，同時對原橋梁外觀影響不大[14]。栓接止裂孔加固僅在止裂孔的基礎上施擰高強螺栓，保持了止裂孔加固構造簡單、施工便捷的優(yōu)勢，不會對原結構產(chǎn)生過大損傷，并顯著提高了止裂性能和疲勞壽命。此外，墊片先于母材破壞起到失效預警作用，并可更換高強螺栓周期性提高疲勞性能，鋼結構橋梁橫隔板多為單裂紋疲勞形式，成為其理想的“微損傷”加固方法。

3 栓接止裂孔加固機理

為揭示栓接止裂孔的加固機理，采用ABAQUS軟件建立止裂孔與栓接止裂孔加固試件有限元模型進行仿真分析，鋼板采用Q345qD結構鋼，高強螺栓規(guī)格為M12，材料屬性如表4所示。采用六面體減縮積分單元C3D8R進行單元劃分，單元尺寸為2mm，止裂孔周圍單元尺寸加密到0.5mm，預制疲勞裂紋通過軟件中裂紋命令設置。栓接止裂孔模型中共設定4組接觸面：螺帽與上墊片(Ct1)、上墊片與鋼板(Ct2)、下墊片與鋼板(Ct3)、螺母與下墊片(Ct4)，接觸面在法向方向采用罰函數(shù)的硬接觸進行約束，在切向方向采用罰函數(shù)的摩擦接觸進行約束，通過在Load模塊中對螺栓截面施加螺栓荷載的方式施加預緊力，預緊力為38.4kN?？紤]實際試驗情況，試件的一端完全約束，在另一端施加20MPa的均布拉應力，對模型進行線彈性分析，如圖11所示。

圖11 有限元仿真模型

模型材料參數(shù) 表4

止裂孔加固和栓接止裂孔加固后試件的主應力分布云圖如圖12所示。高強螺栓預緊力使墊片和鋼板間產(chǎn)生擠壓，摩擦力限制了疲勞裂紋張開，減小了止裂孔受力集中位置的疲勞應力。圖13為止裂孔與栓接止裂孔加固后止裂孔邊緣沿厚度方向的主應力分布對比曲線。由圖可以看出，沿厚度方向中間應力水平高于上下表面，施加高強螺栓后，應力水平明顯降低，受力最大的厚度中心位置應力從242MPa降低至135MPa，降幅達到44.2%，栓接止裂孔表現(xiàn)出優(yōu)異的止裂性能。

圖12 主應力分布圖/MPa

圖13 止裂孔與栓接止裂孔加固后止裂孔邊緣沿厚度方向的主應力分布對比曲線

4 結論

本文對單邊疲勞裂紋鋼板的復合加固方法的有效性和疲勞性能進行了研究，對比分析了粘貼CFRP、栓接止裂孔和粘貼鋼板對加固效果的影響，揭示了栓接止裂孔復合加固機理，結論如下：

(1)在正弦疲勞荷載作用下，復合加固裂紋鋼板的疲勞失效模式不同，粘貼CFRP和粘貼鋼板由結構樹脂膠剝離引起失效，栓接止裂孔失效以墊片疲勞破壞為主。

(2)復合加固顯著提高了含裂紋鋼板的疲勞壽命，疲勞壽命達到止裂孔加固的3.6～15.8倍，粘貼鋼板和栓接止裂孔的加固效果優(yōu)于粘貼CFRP。

(3)高強螺栓與鋼板間的摩擦力對疲勞裂紋張開起到有效約束限制作用，使栓接止裂孔加固具有良好的疲勞性能，加固墊片先于母材破壞起到失效預警作用，并可更換高強螺栓周期性提高疲勞性能，是理想的橫隔板“微損傷”加固方法。