修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其適用于疲勞裂紋發(fā)生的相對(duì)初始階段，能較為廉價(jià)的來(lái)修復(fù)疲勞裂紋，通過(guò)阻止或延緩疲勞裂紋的發(fā)展能增加鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。該方法包括在疲勞裂紋附近的錘擊過(guò)程，通過(guò)錘擊鋼板上的疲勞裂縫兩邊中的至少一邊，使鋼板表面產(chǎn)生塑性變形，這樣就能夠形成一個(gè)裂縫接觸面來(lái)阻止裂縫的繼續(xù)開(kāi)裂。作為疲勞裂縫附近錘擊過(guò)程的后續(xù)過(guò)程，此方法還包括通過(guò)迅速錘擊疲勞裂紋正上方的鋼板來(lái)增加裂縫接觸表面的接觸面積或接觸壓力，以此使得疲勞壽命大幅提高的過(guò)程。
【專(zhuān)利說(shuō)明】修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種疲勞裂紋的修復(fù)方法，尤其涉及一種鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的修復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如果一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)，以鋼結(jié)構(gòu)橋梁為例，受到了循環(huán)荷載的作用，由于金屬疲勞，在它的表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，如果對(duì)之放任不管的話，疲勞裂紋就會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，使得鋼結(jié)構(gòu)橋梁不能滿(mǎn)足極限承載能力的要求。因此，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的維護(hù)和管理中，應(yīng)對(duì)疲勞裂紋的方法，如疲勞裂紋的預(yù)防，早期檢測(cè)，修補(bǔ)加固等措施是非常必要的。
[0003]在中國(guó)，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路系統(tǒng)發(fā)展迅速，在此期間，修建了許多鋼結(jié)構(gòu)橋梁。這些橋梁建成使用已經(jīng)過(guò)去了 30多年了，各種老化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，此外，隨著近年來(lái)交通負(fù)荷的加重以及使用頻率的增加，有些鋼結(jié)構(gòu)橋梁在焊縫部位已經(jīng)出現(xiàn)疲勞裂紋。
[0004]圖16表示的是在外表面角焊縫的一個(gè)疲勞裂紋，它顯示的是在焊縫區(qū)焊趾部位疲勞裂紋的產(chǎn)生狀況。在圖中，5為角焊縫，圖中角撐板6被垂直焊在鋼板14上。由于焊接時(shí)發(fā)熱引起的拉伸殘余應(yīng)力的積累以及焊縫2在7處焊趾端的形狀突變引起的應(yīng)力集中，所以疲勞裂紋更容易在圖中3部位產(chǎn)生。
[0005]圖16 (a)為疲勞裂紋3未發(fā)生時(shí)的狀況，圖16 (b)為疲勞裂紋3在形狀突變處7的焊趾端開(kāi)始出現(xiàn)的情況(以下稱(chēng)Nt(J，圖16(c)為疲勞裂紋3繼續(xù)發(fā)展，開(kāi)始從焊縫焊趾區(qū)分離(以下稱(chēng)Nb)，圖16 (d)(以下稱(chēng)N1(l)為疲勞裂紋3在7處焊趾區(qū)繼續(xù)發(fā)展，并從焊縫焊趾區(qū)分離，在鋼板14上延伸大約10mm的情況。從N1(l中我們不難發(fā)現(xiàn)裂縫3的發(fā)展是很迅速的。
[0006]當(dāng)我們能夠判斷出這樣的裂紋在短時(shí)間內(nèi)會(huì)繼續(xù)發(fā)展，并根據(jù)裂紋的發(fā)展?fàn)顩r以及鋼結(jié)構(gòu)橋梁的重要程度知道它很危險(xiǎn)的話，作為對(duì)它的修復(fù)加固，我們可以在裂紋發(fā)生區(qū)域安排一塊拼接板，使用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，這是一個(gè)持久的對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)和加固的措施。
[0007]當(dāng)我們判斷出疲勞裂紋不會(huì)發(fā)展到很危險(xiǎn)的地步，我們可以在疲勞裂紋發(fā)展的端部鉆一個(gè)小孔，來(lái)釋放此處的集中應(yīng)力，這種措施可以暫時(shí)阻止疲勞裂紋的發(fā)展。
[0008]專(zhuān)利文獻(xiàn)1(JP，2008-520443，A)中描述的疲勞裂紋預(yù)防方法同樣適用于焊縫焊趾區(qū)疲勞裂紋的預(yù)防。如圖17(a)所示，我們通過(guò)超聲沖擊裝置15對(duì)焊縫2的焊趾區(qū)進(jìn)行錘擊，使此區(qū)域產(chǎn)生塑性變形如圖17(b)所示，產(chǎn)生超聲波處理表面16。
[0009]在焊接過(guò)程中，產(chǎn)生的熱量會(huì)使鋼構(gòu)件中拉伸殘余應(yīng)力積累，隨著超聲波處理表面16的形成，拉伸殘余應(yīng)力得到釋放，并在超聲波處理表面16附近產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，同時(shí)，焊趾部位及附近的形狀變得圓滑，應(yīng)力集中的影響被削弱。通過(guò)這些處理，疲勞強(qiáng)度加強(qiáng)，疲勞裂紋就不容易產(chǎn)生。
[0010]上述提到的進(jìn)行裂紋修復(fù)和加固的常規(guī)方法，S卩，通過(guò)安排拼接板，使用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，一方面要耗費(fèi)大量的人力物力，花費(fèi)很大，而且在實(shí)工過(guò)程中，需要中斷交通，不適宜應(yīng)用在全部的已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋的大橋中。
[0011]通過(guò)在裂紋端部鉆去孔洞的方法，是一個(gè)行之有效的阻止小的疲勞裂紋進(jìn)一步發(fā)展的方法。盡管修復(fù)效果很好，由于合適的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法沒(méi)有建立，所以在實(shí)際情況中，通常作為急救措施被使用。
[0012]盡管小孔的孔徑取決于鋼板的厚度，但是通常情況下，不會(huì)小于20mm，所以在一些情況下，如焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋，沒(méi)有足夠的鉆孔空間來(lái)進(jìn)行鉆孔。因?yàn)檫@個(gè)原因，只能等到裂紋發(fā)展到脫離焊趾區(qū)，在平板部位延伸開(kāi)來(lái)時(shí)，再使用此方法。也就是說(shuō)，這種方法不應(yīng)用于裂紋發(fā)展的初始階段。
[0013]專(zhuān)利文獻(xiàn)1中描述的疲勞裂紋預(yù)防方法適用于疲勞裂紋沒(méi)有產(chǎn)生的階段，即使它被用在裂紋發(fā)展的初始階段，一般來(lái)說(shuō)是沒(méi)有效果的。
[0014]因此，提供一種能夠解決上述問(wèn)題的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法成為業(yè)內(nèi)急需解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于:提供一種修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，本發(fā)明在裂紋發(fā)展的初始階段也同樣適用，所以能簡(jiǎn)單廉價(jià)的修復(fù)疲勞裂紋或阻止疲勞裂紋的發(fā)展。本發(fā)明提供的疲勞裂紋修復(fù)方法能夠延緩疲勞裂紋的發(fā)展，使得鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命得到延長(zhǎng)。
[0016]鋼材表面的疲勞裂紋一般情況下從它產(chǎn)生的部位，沿著橫向和深度方向呈半橢圓形發(fā)展，而且很快就會(huì)到達(dá)鋼材的底面。上述提到的鉆孔方法雖然阻止了裂紋往橫向發(fā)展，卻不能阻止其向深度方向發(fā)展?；谶@一點(diǎn)，本發(fā)明將同時(shí)阻止裂紋往橫向以及深度方向發(fā)展，這樣就阻止了撕裂表面的膨脹。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，提供一種修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其中，在形成有疲勞裂紋的開(kāi)口的鋼結(jié)構(gòu)的表面上、通過(guò)在疲勞裂紋的至少一側(cè)沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理，使得鋼結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生塑性變形以沿著疲勞裂紋形成裂紋接觸面從而使疲勞裂紋在鋼結(jié)構(gòu)的表面上的開(kāi)口閉合。
[0018]優(yōu)選地，可以分別在疲勞裂紋的兩側(cè)沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理。
[0019]優(yōu)選地，可以進(jìn)一步包括在疲勞裂紋的正上方沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理。
[0020]優(yōu)選地，可以進(jìn)一步包括在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理時(shí)采用弓|導(dǎo)裝置使得錘擊處理的軌跡沿著疲勞裂紋延伸的方向等距地鄰近疲勞裂紋。
[0021]優(yōu)選地，可以將錘擊處理設(shè)定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于設(shè)計(jì)的拉伸應(yīng)力。
[0022]優(yōu)選地，可以將錘擊處理設(shè)定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于鋼結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力。
[0023]接下來(lái)將描述每一種上述問(wèn)題的解決方法，必要時(shí)描述操作效果。
[0024]本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法把修復(fù)平板以及曲面板鋼材料上產(chǎn)生的疲勞裂紋作為主要目標(biāo)，在此方法中，有一個(gè)在疲勞裂紋附近進(jìn)行錘擊的過(guò)程，此過(guò)程中，通過(guò)在裂紋兩邊(至少一邊)沿著裂紋平行方向進(jìn)行錘擊，在鋼材料表面產(chǎn)生塑性變形，使疲勞裂紋的開(kāi)口閉合，并產(chǎn)生一個(gè)裂紋接觸面。
[0025]如果在產(chǎn)生疲勞裂紋的鋼材料上施加外力，疲勞裂紋四周就會(huì)有拉應(yīng)力產(chǎn)生，此拉應(yīng)力會(huì)使疲勞裂紋的內(nèi)側(cè)表面向兩邊分離，裂紋寬度就會(huì)擴(kuò)展，裂紋就會(huì)朝著深度方向發(fā)展。根據(jù)本發(fā)明前面的論述，通過(guò)本發(fā)明的裂紋修復(fù)方法，疲勞裂紋開(kāi)口關(guān)閉，會(huì)在裂紋內(nèi)表面形成裂紋接觸面，在裂紋接觸面會(huì)產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力。因此，殘余壓應(yīng)力會(huì)抵消有外力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這樣疲勞裂紋就不容易開(kāi)裂，阻止或延遲了疲勞裂紋的發(fā)展，延長(zhǎng)了鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
[0026]如果只是在疲勞裂紋正上方實(shí)施錘擊，由于在使疲勞裂紋內(nèi)側(cè)表面關(guān)閉的方向上很難產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面就很難有效形成。本專(zhuān)利中，由于實(shí)施了疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程，使得疲勞裂紋內(nèi)側(cè)表面關(guān)閉的方向上產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面有效形成。
[0027]由于本發(fā)明只是通過(guò)在鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行錘擊的方法，而且很適合在裂紋發(fā)展的初級(jí)階段，也不用考慮疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r。所以，本發(fā)明簡(jiǎn)單價(jià)廉的進(jìn)行了疲勞裂紋修復(fù)。
[0028]本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法把修復(fù)平板以及曲面板鋼材料上產(chǎn)生的疲勞裂縫作為主要目標(biāo)，如果需要的話，作為前面提到的疲勞裂紋附近捶打過(guò)程的后續(xù)處理，通過(guò)捶打疲勞裂紋的正上方，在鋼材料表面產(chǎn)生塑性變形，這樣就能增加疲勞裂紋的接觸面積或接觸壓力。
[0029]通過(guò)疲勞裂紋附近捶打過(guò)程，形成裂紋接觸面，通過(guò)疲勞裂紋正上方捶打過(guò)程，裂紋接觸面的接觸面積和接觸壓力增大。這樣在疲勞裂紋附近產(chǎn)生很大的壓縮殘余應(yīng)力，抵抗拉應(yīng)力的效果就會(huì)更好。
[0030]通常我們會(huì)假設(shè)，經(jīng)過(guò)裂紋正上方的捶打過(guò)程，裂紋接觸面的接觸面積和接觸壓力都會(huì)增加，但是我們也應(yīng)考慮到，只有接觸壓力增加，接觸面積不變，或者只有接觸面積增加，接觸壓力不變，或者接觸面積和解除壓力部分減小。
[0031]由于抵抗拉應(yīng)力的效果由接觸面積與接觸壓力的乘積決定，所以作為疲勞裂紋附近錘擊的后續(xù)過(guò)程，疲勞裂紋正上方錘擊必然有一定的作用。
[0032]當(dāng)本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法把鋼材料焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋作為修復(fù)對(duì)象時(shí)，有一個(gè)疲勞裂紋附近捶打過(guò)程，以此在鋼材料表面產(chǎn)生塑性變形，關(guān)閉疲勞裂紋的開(kāi)口，形成裂紋接觸面，此捶打過(guò)程應(yīng)在不同于焊縫金屬面的一面沿著裂縫平行方向進(jìn)行。
[0033]當(dāng)本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法把鋼材料焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋作為修復(fù)對(duì)象時(shí)，在疲勞裂紋從焊縫焊趾區(qū)分離開(kāi)之前對(duì)其進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)使用上述提到的本發(fā)明的焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋修復(fù)方法。
[0034]當(dāng)本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法把鋼材料焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋作為修復(fù)對(duì)象時(shí)，在疲勞裂紋發(fā)展到從焊縫焊趾區(qū)分離開(kāi)，并延伸到鋼板上時(shí)，對(duì)焊縫焊趾區(qū)的裂紋應(yīng)使用上述提到的本發(fā)明的焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋修復(fù)方法，對(duì)延伸至鋼板部分的裂縫應(yīng)使用上述提到的發(fā)生在鋼板上的疲勞裂紋的修復(fù)方法。
[0035]在疲勞裂紋從焊縫焊趾區(qū)分離開(kāi)之前，我們用表示裂紋剛剛產(chǎn)生的情況，Nb表示裂紋進(jìn)展了一小會(huì)兒，N10表示裂紋得到更進(jìn)一步進(jìn)展，并從焊縫焊趾區(qū)分離的情況。[0036]如果本發(fā)明被用來(lái)修復(fù)焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂縫，通過(guò)簡(jiǎn)單地錘擊就能得到簡(jiǎn)單廉價(jià)的修復(fù)效果，提高角焊接點(diǎn)的耐久性，阻止或延遲疲勞裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。關(guān)于本發(fā)明的疲勞修復(fù)方法，由于疲勞裂紋從Nb發(fā)展到N1(l是十分迅速的，所以我們可以等到N1(l的時(shí)候再進(jìn)行裂紋修復(fù)。
[0037]在本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法中，我們?cè)趯?shí)施錘擊的時(shí)候最好利用導(dǎo)引裝置沿著疲勞裂縫平行的方向錘擊。
[0038]如果錘擊軌跡沿著導(dǎo)引裝置的話，即使萬(wàn)一疲勞裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)彎，我們也能保證錘擊是沿著裂紋的軌跡進(jìn)行的。這樣，通過(guò)錘擊獲得的鋼結(jié)構(gòu)表面的塑性變形就會(huì)很精確。
[0039]在本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法中，作用在上述裂紋接觸面的殘余壓應(yīng)力最好大于設(shè)計(jì)拉應(yīng)力。
[0040]如果作用在上述裂紋接觸面的殘余壓應(yīng)力大于設(shè)計(jì)拉應(yīng)力，那么在設(shè)計(jì)拉應(yīng)力的作用下，疲勞裂紋就不會(huì)開(kāi)裂。這樣，就能有效的阻止或延遲疲勞裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
[0041]如果作用在上述裂紋接觸面的殘余壓應(yīng)力大于鋼材料的屈服應(yīng)力就更好了。
[0042]根據(jù)容許應(yīng)力法的規(guī)定，容許拉應(yīng)力占到屈服應(yīng)力的1/1.7，實(shí)際作用在材料上的拉應(yīng)力占容許拉應(yīng)力的1/2多一點(diǎn)。因此，如果產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力大于屈服應(yīng)力的話，就能可靠的阻止疲勞裂紋的發(fā)展。
[0043]鋼結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)有一定的壽命，我們應(yīng)該維護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。所以，我們沒(méi)有必要對(duì)某一部分修復(fù)的特別結(jié)實(shí)，結(jié)實(shí)到此部分超過(guò)了整個(gè)結(jié)構(gòu)的壽命。我們要做的就是，在進(jìn)行疲勞裂紋的修復(fù)時(shí)，能夠有效阻止疲勞裂紋的發(fā)展，使它的發(fā)展速度能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的剩余壽命。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以看做與前面的開(kāi)孔修復(fù)與加固定板修復(fù)方法一樣，是一種永久性的疲勞裂紋修復(fù)方法。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0044]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0045]圖1直觀描述了本發(fā)明的疲勞裂縫修復(fù)方法，(a)描述了鋼板頂部疲勞裂紋的產(chǎn)生，(b)展示了本發(fā)明中的第一實(shí)施方式，即疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程的情況，(c)展示了本發(fā)明中的第二實(shí)施方式，即疲勞裂紋正上方錘擊過(guò)程的情況。
[0046]圖2直觀描述了本發(fā)明的疲勞裂縫修復(fù)方法，(a)描述了角焊縫焊趾區(qū)疲勞裂紋的產(chǎn)生，(b)展示了本發(fā)明中的第三實(shí)施方式，即疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程的情況，(c)展示了本發(fā)明中的第四實(shí)施方式，即疲勞裂紋正上方錘擊過(guò)程的情況。
[0047]圖3為一組橫截面圖，形象描述了本專(zhuān)利中疲勞裂紋修復(fù)方法產(chǎn)生的效果，(a)描述了鋼板頂部疲勞裂紋的產(chǎn)生，(b)表示當(dāng)外力作用在(a)中鋼板的兩端時(shí)，在鋼板表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的情況，(c)表示經(jīng)過(guò)本發(fā)明中的裂紋修復(fù)方法后，產(chǎn)生了裂紋接觸面，從而關(guān)閉了(a)中鋼材料的疲勞裂紋，在此過(guò)程中，壓縮殘余應(yīng)力產(chǎn)生，(d)顯示的是(c)中鋼材在兩端外力作用下，壓縮殘余應(yīng)力減小的情況。
[0048]圖4的曲線圖描述了經(jīng)過(guò)本發(fā)明的疲勞裂紋修復(fù)方法后，延長(zhǎng)疲勞壽命的效果。
[0049]圖5展示了本發(fā)明中的第五實(shí)施方式，描述了外表面角焊縫疲勞裂紋修復(fù)方法，正面角焊縫焊趾區(qū)。[0050]圖6為普通鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線。[0051]圖7描述采用本發(fā)明的疲勞裂紋修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)，形成裂紋接觸面的第一個(gè)例子，本圖顯示的是只進(jìn)行裂紋正上方錘擊過(guò)程的有限元分析模型。
[0052]圖8為圖7中分析模型的應(yīng)力分布圖。
[0053]圖9描述采用本發(fā)明的疲勞裂紋修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)，形成裂紋接觸面的第二個(gè)例子，本圖顯示的是疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程完成后再進(jìn)行裂紋正上方錘擊過(guò)程的有限元分析模型。
[0054]圖10為圖9中分析模型的應(yīng)力分布圖。(a)為裂紋附近錘擊過(guò)程第一步完成后的情況，(b)為裂紋附近錘擊過(guò)程第二步完成后的情況，(c)為裂紋正上方錘擊過(guò)程完成后的情況。
[0055]圖11為平板彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的側(cè)視圖。
[0056]圖12為本發(fā)明實(shí)例1中的板試件結(jié)構(gòu)圖。
[0057]圖13為S-N曲線，描述本發(fā)明實(shí)例1中疲勞壽命的延長(zhǎng)效果。
[0058]圖14為本發(fā)明實(shí)例2中外表面角焊縫試件結(jié)構(gòu)圖。
[0059]圖15為S-N曲線，描述本發(fā)明實(shí)例2中疲勞壽命的延長(zhǎng)效果。
[0060]圖16描述了現(xiàn)有技術(shù)中的疲勞裂紋在外表面角焊縫焊趾區(qū)產(chǎn)生及發(fā)展的情況，(a)為疲勞裂紋未發(fā)生時(shí)的狀況，(b)為疲勞裂紋在正面角焊縫的焊趾處開(kāi)始出現(xiàn)的情況，(c)為疲勞裂紋繼續(xù)發(fā)展，開(kāi)始從焊縫焊趾區(qū)開(kāi)分離，(d)為疲勞裂紋在焊趾區(qū)繼續(xù)發(fā)展，從焊縫焊趾區(qū)分離，在鋼板上延伸大約10mm的情況。
[0061]圖17示出現(xiàn)有技術(shù)中的阻止角焊縫焊趾區(qū)疲勞裂紋產(chǎn)生的前處理技術(shù)，(a)為用超聲沖擊裝置對(duì)角焊縫焊趾區(qū)進(jìn)行沖壓，(b)為經(jīng)過(guò)超聲沖壓處理后在鋼材料表面產(chǎn)生的塑性變形。
[0062]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0063]LI, L2, L3—錘擊軌跡
[0064]1—鋼板2—角焊縫金屬
[0065]3—疲勞裂縫3a—裂紋接觸面
[0066]4—錘擊裝置4a—錘頭
[0067]5—角焊縫6角撐板
[0068]7—正面角焊縫8、8a—導(dǎo)引裝置
[0069]9—導(dǎo)引固定裝置10—平板彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)
[0070]10a—振動(dòng)器11—板試件
[0071]11a—焊縫lib—凹口
[0072]12—應(yīng)變片13—角焊縫測(cè)試對(duì)象
[0073]14—鋼結(jié)構(gòu)組件15—超聲沖擊裝置
[0074]16—超聲波處理表面
【具體實(shí)施方式】
[0075]接下來(lái)參照附圖具體描述本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)方法。
[0076]<第一實(shí)例>[0077]圖1(a)和圖1(b)描述了本實(shí)例中疲勞裂紋修復(fù)方法的簡(jiǎn)圖。其中圖1(a)為疲勞裂紋在鋼板上表面產(chǎn)生，圖1(b)為本實(shí)例中實(shí)施的疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程。
[0078]要保證錘擊的軌跡不重疊在裂紋之上。如圖1(a)所示，如果疲勞裂紋3在鋼板1上發(fā)生，我們會(huì)進(jìn)行修復(fù)來(lái)阻止疲勞裂紋的繼續(xù)發(fā)展。圖1(b)顯示了修復(fù)條件，在疲勞裂紋的兩側(cè)沿著疲勞裂紋平行方向錘擊出兩條軌跡L1和L2。在這里，L1和L2距離疲勞裂紋的間隔相等，而且要保證兩條錘擊軌跡不重疊在疲勞裂紋之上。
[0079]接下來(lái)，隨著錘擊軌跡L1和L2的出現(xiàn)，在鋼板1的表面會(huì)產(chǎn)生塑性變形，疲勞裂紋3的開(kāi)口會(huì)閉合，裂紋接觸面3a形成。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程。裂紋接觸面3a只在裂紋上部形成接觸面，下部不太會(huì)接觸到。
[0080]在錘擊工具4的端部連著錘頭4a。在氣壓動(dòng)力壓縮機(jī)(未顯示)的幫助下，錘頭4a高速振動(dòng)，錘擊工具4變成一個(gè)高速振動(dòng)的氣錘。
[0081]錘頭4a的形狀為一個(gè)4mmX 5mm的平面矩形，四周的直角被剪成倒圓角。雖然這一形狀被認(rèn)為最容易在鋼板1的表面產(chǎn)生塑性變形，但是最理想的錘頭形狀隨著氣壓以及錘擊工具的使用情況會(huì)不一樣。
[0082]雖然噴丸處理也能完成錘擊操作但從各種施工條件下的操作性考慮的話，氣錘是最合適的。
[0083]根據(jù)本實(shí)例，疲勞裂縫3的開(kāi)口閉合，疲勞裂紋接觸面3a形成，在疲勞裂紋接觸面產(chǎn)生了大量的壓縮殘余應(yīng)力。因此，殘余壓應(yīng)力會(huì)抵消有外力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這樣疲勞裂紋就不容易開(kāi)裂，阻止或延遲了疲勞裂紋的發(fā)展，延長(zhǎng)了鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
[0084]如果只是在疲勞裂紋正上方實(shí)施錘擊，由于在使疲勞裂紋內(nèi)側(cè)表面關(guān)閉的方向上很難產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面就很難有效形成。本本實(shí)例中，由于實(shí)施了疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程，使得疲勞裂紋內(nèi)側(cè)表面關(guān)閉的方向上產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面有效形成。
[0085]由于本實(shí)例中只是通過(guò)錘擊工具4在鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行錘擊，而且很適合在疲勞裂紋3發(fā)展的初級(jí)階段，也不用考慮疲勞裂紋3產(chǎn)生區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展?fàn)顩r。所以，本發(fā)明簡(jiǎn)單價(jià)廉的進(jìn)行了疲勞裂紋修復(fù)，而且只是在鋼板1的表面進(jìn)行處理。
[0086]在本實(shí)例中，這個(gè)疲勞裂紋修復(fù)方法在裂縫3發(fā)展到一定程度時(shí)不適用。當(dāng)疲勞裂紋進(jìn)一步發(fā)展，裂紋寬度變得很大時(shí)，即使通過(guò)在鋼板表面施加塑性變形形成裂紋接觸面3a，考慮到此時(shí)塑性變形很大，對(duì)鋼板的截面性能會(huì)有不利影響。
[0087]在后面的實(shí)例中，我們采用與本實(shí)例同樣的錘擊工具4和錘頭4a。
[0088]<第二實(shí)例>
[0089]在本實(shí)例中，如圖1(c)所示，有一個(gè)疲勞裂紋正上方錘擊過(guò)程。在實(shí)施第一實(shí)例中的疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程之后(如圖1(b)所示)，在疲勞裂紋正上方實(shí)施錘擊軌跡L3的錘擊，L3可使接觸面積與接觸壓力增大，錘擊軌跡L3的錘擊過(guò)程被稱(chēng)為疲勞裂紋正上方錘擊過(guò)程。
[0090]因此，經(jīng)過(guò)疲勞裂紋正上方錘擊過(guò)程之后，已經(jīng)形成的疲勞裂紋接觸面3a不會(huì)再開(kāi)裂。在這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，錘擊工具4的錘頭4a的寬度不取決于圖1(a)中裂縫3的寬度。
[0091]隨著接觸面積及接觸壓力的增加，在裂紋接觸面3a處產(chǎn)生很高的壓縮殘余應(yīng)力，抵抗拉應(yīng)力的效果也變得更好。
[0092]<第三實(shí)例>[0093]圖2(a)和圖2(b)描述了本實(shí)例中疲勞裂紋修復(fù)方法的簡(jiǎn)圖。其中圖2(a)為疲勞裂紋在角焊縫焊趾區(qū)產(chǎn)生，圖2(b)為本實(shí)例中實(shí)施的疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程。
[0094]如圖2 (a)，疲勞裂紋3在角焊縫焊趾區(qū)的鋼板1上產(chǎn)生，為了阻止疲勞裂紋3的發(fā)展，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。圖2(b)顯示了修復(fù)情況，先在疲勞裂紋3的一側(cè)(非角焊縫金屬2的一側(cè))進(jìn)行錘擊軌跡L1的錘擊。在錘擊的時(shí)候，錘頭4a與鋼板的接觸面應(yīng)保證錘擊軌跡L1不會(huì)落在裂紋3的上方。
[0095]接下來(lái)，沿著錘擊軌跡L1進(jìn)行錘擊，在鋼板1的表面產(chǎn)生塑性變形，疲勞裂紋3的開(kāi)口關(guān)閉，疲勞裂紋接觸面3a形成。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為疲勞裂紋附近錘擊過(guò)程。本實(shí)例的實(shí)施效果與第一個(gè)實(shí)例一樣。
[0096]〈第四實(shí)例〉
[0097]如圖2(c)所示，顯示的是本實(shí)例中裂紋正上方錘擊過(guò)程。經(jīng)過(guò)第三實(shí)例中圖2(b)所示的疲勞裂紋附近錘擊錘擊過(guò)程后，裂縫接觸面3a形成，再沿著錘擊軌跡L2 (疲勞裂紋3的正上方)進(jìn)行錘擊，裂縫接觸表面3a的接觸面積和接觸壓力增加。沿著錘擊軌跡L2進(jìn)行錘擊的過(guò)程被稱(chēng)為疲勞裂紋正上方錘擊過(guò)程。本實(shí)例的實(shí)施效果與第2個(gè)實(shí)例一樣。
[0098]在上述描述的1-4個(gè)實(shí)例中，當(dāng)在裂紋接觸面3a中產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力時(shí)，能夠抵消作用在此處的拉伸應(yīng)力，這樣就能阻止或延遲疲勞裂紋3的開(kāi)裂，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命就會(huì)增大。
[0099]圖3顯示的是本方法實(shí)施效果的截面圖，圖3(a)表示裂紋在鋼板1上產(chǎn)生。圖3(b)表示當(dāng)外力如拉應(yīng)力和彎矩作用在圖3(a)中鋼板1兩端，疲勞裂紋3發(fā)展，鋼板1表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。圖3(c)表示的是在圖3(a)中鋼板1上實(shí)施裂紋附近錘擊過(guò)程以及裂紋正上方錘擊過(guò)程，此過(guò)程中裂縫接觸表面3a形成，殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生。圖3(d)表示的是壓縮殘余壓應(yīng)力抵抗外力的表現(xiàn)，隨著外力的作用，殘余壓應(yīng)力減少。
[0100]在圖3(b)中，如果疲勞裂紋沒(méi)有修復(fù)的話，如果很大的拉應(yīng)力作用在鋼板表面的話，拉力會(huì)朝著增大裂紋寬度的方向作用，如果是反復(fù)循環(huán)荷載的話，裂紋就會(huì)發(fā)展。
[0101]另一方面，如果像圖3(c)中所示對(duì)疲勞裂紋進(jìn)行修補(bǔ)的話，裂紋開(kāi)口關(guān)閉，裂紋接觸面3a形成，壓縮殘余應(yīng)力在3a中產(chǎn)生。在這種狀態(tài)下，如果有很大的拉伸應(yīng)力作用在鋼板1的表面，拉應(yīng)力會(huì)朝著使裂紋加大的方向作用。如圖3(d)所示，如果在接觸面3a處產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力大于拉應(yīng)力的話，壓縮殘余應(yīng)力會(huì)抵消拉應(yīng)力，疲勞裂紋3就不會(huì)開(kāi)裂。所以當(dāng)循環(huán)荷載作用時(shí)，就會(huì)阻止或延遲疲勞裂紋3的開(kāi)裂。
[0102]疲勞裂紋3的停止或延遲可以看成如下的過(guò)程。
[0103]在應(yīng)用疲勞力學(xué)的裂縫發(fā)展模型中，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅△!(變成疲勞裂紋擴(kuò)展速率的一個(gè)參數(shù)。疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN(mm/cycle)如方程式1所示。
[0104]da/dN = C ( Δ Km- Δ Kthm)....式 1
[0105]上式中，a表示裂縫發(fā)展方向的長(zhǎng)度，N表示應(yīng)力重復(fù)周期的數(shù)量，c和m為材料常數(shù)，m在鋼材料中是一個(gè)接近3的值。AKth是一個(gè)裂紋增長(zhǎng)率的臨界值，在鋼材料中它的值為2.5(MPaXm1/2)。應(yīng)力強(qiáng)度因子幅Λ K由方程2表示。
[0106]AK=F.Δσ.VOraO——式 2
[0107]上式中，應(yīng)力幅Λ σ和F為系數(shù)，隨著組件形式或裂縫形式改變。
[0108]將方程2代入方程1，通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)微分方程，能夠求得疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np (使裂縫達(dá)到裂縫長(zhǎng)度a的裂縫循環(huán)次數(shù)N)。這是一般斷裂力學(xué)分析疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的方法。如果△!(變小，疲勞裂紋擴(kuò)展速率變小，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np增大。
[0109]圖3(a)和圖3(c)中的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np就用上面的方程式進(jìn)行比較。
[0110]圖3(a)中的疲勞裂紋3是一個(gè)邊裂，我們可以把裂紋長(zhǎng)度看成從鋼板1的表面到裂縫3最深的地方。另一方面，如果像圖3(c)中的疲勞裂紋3是一個(gè)內(nèi)部裂紋，作用外力的時(shí)候裂縫接觸面3a不開(kāi)裂，我們可以把裂紋接觸面3a到裂紋最深處的距離看成裂紋長(zhǎng)度。我們可以假設(shè)內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度為原來(lái)的一半。因此，在比較疲勞裂縫擴(kuò)展壽命Np的時(shí)候，把裂縫長(zhǎng)度定為a/2。
[0111]圖3(c)中疲勞裂紋3的應(yīng)力擴(kuò)展系數(shù)幅ΛΚ由方程式3來(lái)表示。
【權(quán)利要求】
1.一種修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其特征在于，在形成有疲勞裂紋的開(kāi)口的鋼結(jié)構(gòu)的表面上、通過(guò)在所述疲勞裂紋的至少一側(cè)沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)λ鲣摻Y(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理，使得所述鋼結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生塑性變形以沿著所述疲勞裂紋形成裂紋接觸面從而使所述疲勞裂紋在所述鋼結(jié)構(gòu)的表面上的所述開(kāi)口閉合。
2.如權(quán)利要求1所述的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其特征在于，分別在所述疲勞裂紋的兩側(cè)沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)λ鲣摻Y(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理。
3.如權(quán)利要求1或2所述的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述疲勞裂紋的正上方沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)λ鲣摻Y(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理。
4.如權(quán)利要求1或2所述的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在對(duì)所述鋼結(jié)構(gòu)的表面施加錘擊處理時(shí)采用引導(dǎo)裝置使得錘擊處理的軌跡沿著疲勞裂紋延伸的方向等距地鄰近所述疲勞裂紋。
5.如權(quán)利要求1或2所述的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其特征在于，將錘擊處理設(shè)定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于設(shè)計(jì)的拉伸應(yīng)力。
6.如權(quán)利要求1或2所述的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法，其特征在于，將錘擊處理設(shè)定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于鋼結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】B23P6/04GK103624479SQ201310020505
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月21日
【發(fā)明者】劉云飛, 翟傳明, 赫傳凱, 段艷芳 申請(qǐng)人:中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心