钢结构疲劳裂纹修复研究.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 17 期 2023 年 9 月Vol.54 No.17 Sep.20232106钢结构疲劳裂纹修复研究罗天宇，唐 红（武汉科技大学城市建设学院，430081，武汉）摘要：为了研究高强螺栓和普通钻止裂孔对装配式钢结构疲劳裂纹的修复效果，本工程使用有限元软件 ANSYS 模拟裂纹的扩展方式，并通过施加循环荷载来模拟建筑结构的外部荷载，根据疲劳裂纹处应力集中情况和破坏瞬时循环次数探究高强螺栓止裂孔对钢板的修复效果。对比修复结果可知：增大孔径则疲劳裂纹的修复效果较好，施加高强螺栓预紧力后的修复效果是普通钻修复效果的 12 倍。关键词：钢结构；疲劳裂纹；高强螺栓；维修加固中图分类号：TU 391 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)17-2106-03ReseaRch on fatIgUe cRacK RepaIR of steel stRUctUReLUO Tian-yu,TANG Hong(School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,430081,Wuhan,China)abstract:In order to study the repair effect of crack stop by high-strength bolt and ordinary drill on the fatigue crack of prefabricated steel structure,the finite element software AnSyS was used to simulate crack propagation,and cyclic load was applied to simulate the external load borne by the building structure.based on the stress concentration at the fatigue crack and the number of cycles during failure,the effect of high-strength bolt hole on the fatigue life of steel plate with edge fatigue crack was investigated.by comparing with the crack stop of steel plate with single crack,the performance of crack stop and reinforcement of high strength bolt is highlighted.Results shows that the increase of the aperture can have a good influence on the fatigue repair effect of cracks to a certain extent,and the fatigue crack repair effect after applying the preload of high-strength bolt is about 12 times that of ordinary drilling.Keywords:steel structure;fatigue crack;high strength bolt;maintenance and reinforcement钢结构焊接易产生疲劳裂纹，为了减少疲劳裂 纹，故需进行疲劳强化，以消除或延缓裂纹的出现。通过降低裂纹尖端的应力集中，减少端头应力幅，抑制裂缝继续开裂。传统的钢结构修复方法有止裂孔法、二次焊接、粘贴新板或更换等1。其中止裂孔法可有效修复疲劳裂纹，延长构件的寿命。然而，由于应力集中在钻孔缺陷和止裂孔周围，短时间内可能再次产生裂纹2。为了提高钻孔的止裂性能，近年来诸多学者开展了大量关于钻孔止裂和修复的试验研究。目前，止裂孔工艺是提高钢结构性能的方式之一，高强螺栓止裂是相对高效的止裂方式，其优点是安装和拆卸具有便利性，构件间会产生夹紧力，以保护端头脆弱部分，螺栓夹紧力对端头元件有潜在积极影响。例如，剪切荷载作用可减少结构间摩擦力有助于降低螺栓和孔接触面的剪切荷载3。受弯曲或拉伸的螺栓受荷载影响，易产生裂缝，收稿日期：20230718作者简介：罗天宇（1998），男，湖北荆州人，硕士，e-mail:.且可消除压缩夹紧的状态，而螺栓可抵御外部荷载，可延长构件使用寿命。姜旭等4通过改变止裂孔的孔径大小等参数，研究普通止裂孔和高强螺栓止裂孔的区别，得出高强螺栓止裂延长使用寿命、提高性能的能力是普通止裂的 9 倍。王贤强等5基于有限元模型和单边裂纹钢板的疲劳拉伸试验，阐明了高强螺栓止裂机理，验证了高强螺栓止裂孔对抑制单边裂纹钢板和横隔板的疲劳裂纹有效，定量比较了各规格高强螺栓对止裂加固效果的影响。杨岭等6使用碳纤维布（CFRP）修复裂纹钢板，发现 CFRP 的预应力能减小裂纹端头的应力强度。党堃等7通过对结构细节疲劳额定值（DFR）研究不同疲劳裂纹长度和不同止裂孔尺寸下结构的疲劳寿命。姚悦等8通过 ABAQUS 仿真技术模拟桥面板开裂时的受力状态，研究钢板各项参数的应力特征和 影响。CHAKHERLOU 等9通过高强螺栓紧固铝合金钢板，得出螺栓预紧力可显著降低构件端头的应力强度并提升承载强度。TOSHITUKI 等10用拉伸和弯曲试验探究构件应力集中的位置，提出施加螺栓预紧力是使垫圈和钢板产生摩擦力的原因，并提出用限制2107罗天宇，等：钢结构疲劳裂纹修复研究 循环荷载应力幅的方法，达到抑制裂纹扩展的目的。肖顺等11采用不同的 PARIS 系数，预测 H 型钢产生疲劳裂纹的规律及其使用寿命。1 有限元模型1.1 止裂孔模型单边裂纹钢构件的尺寸为 400 mm120 mm 20 mm，钢 材 为 Q460GJC 型 钢 材，屈 服 强 度 为460 MPa，抗拉强度为 570 MPa，泊松比为 0.3。缺口尺寸为 GB/T 63982017金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法12中规定的标准单边缺口。运用ANSYS 软件建立有限元模型，采用单元尺寸为 3 mm的四面体单元网格，设置 20 mm20 mm 的缺口以诱导疲劳裂纹的扩展。以裂缝为基础建立局部坐标系，x 轴为裂纹前沿方向，y 轴垂直于裂纹面，z 轴垂直于钢板面。定义裂纹并采用预划分网格裂纹，将相应的坐标系调整为局部坐标系，通过智能裂纹（SMART）预测疲劳裂纹。钢板左边用固定约束，右边加载正弦式、沿 y 轴方向的力矩，模拟对称循环荷载。将力矩的大小设置为 100 Nm，应力幅为 50 MPa，平均应力为 0 MPa，应力比为 0，最大应力为 50 MPa，最小应力为 50 MPa。在高强螺栓中采用 BOLTING 施加预紧力，同时研究螺栓内部的接触状态。将钢板与垫圈、垫圈与螺栓间的摩擦系数设置为 0.35（图 1）。图 1 有限元模型1.2 止裂机理分析止裂孔止裂后，应力集中的位置由裂缝端头逐步上移，并向止裂孔边缘转移，但裂纹端头应力依然集中，如图 2 所示。同时，这也是止裂孔止裂后期会失效的根本原因。施加螺栓预紧力后，裂纹端头应力大幅降低，最大应力位置由下部端头转移至孔右侧。这是由于高强螺栓预紧力迫使螺帽、垫片和钢板间发生挤压，接触面间产生了摩擦力，裂缝端头的应力下降，从而抑制了疲劳裂纹的扩展，高强螺栓应力如图 3 所示。图 2 止裂等效应力图 3 高强螺栓应力1.3 疲劳裂纹扩展机理智能裂纹（SMART）扩展模拟疲劳或静态裂纹扩展。SMART 是基于模拟裂纹网格化的扩展方法。采用网格划分组合的方法更新网格，模拟静态疲劳裂纹扩展，在裂纹前缘产生网格变化。通过裂纹扩展验证止裂孔对钢结构疲劳寿命的影响。疲劳裂纹扩展 PARIS 定律：ddmaC KN=（1）minmaxKRK=（2）()max1KRK=（3）式中：a 为裂纹长度，mm；m 为疲劳循环次数，是常数；K 为应力强度因子；由材料特性和应力比确定 C 取值，为 2.9，K为应力的增量。2 有限元结果分析2.1 疲劳裂纹的扩展钢结构构件疲劳裂纹再生寿命由循环次数确定，疲劳裂纹一般会在应力集中区域再生，影响裂纹端头局部断裂的主要因素是垂直于裂纹方向拉应力的大小，这主要是由远轴荷载引起的，疲劳裂纹是由塑形应变引起的。断裂的第 3 阶段即不稳定阶段，与裂纹的萌生阶段和发展阶段不同，该阶段是瞬间发生，裂纹端头应力强度影响因子 K 达到临界值（图 4）。图 4 智能裂纹扩展应变由双对数表示裂纹扩展量和循环次数的曲线，曲线趋于 K 值恒定，验证裂纹扩展尺寸与循环次数是否符合 PARIS 定律，由此验证了应力数值仿真模拟可行性（图 5）。2.2 孔径影响分析建立直径分别为 8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm 的止裂孔，对比分析孔径大小对疲劳裂纹的止裂效果。通过有限元应力仿真模拟分析计算得到各模型裂缝失稳时的应力和寿命 Nf 值，对比分析止裂孔对钢板裂纹止裂修复效果。Nf 为失稳时循环次数，见表 1。分析仿真模拟结果可知采用止裂孔修复裂纹时，止裂孔孔径与疲劳寿命呈线性递增关系。随着直径增大，疲劳裂纹处 Nf 值逐渐增大，疲劳寿命逐步提建 筑 技 术第 54 卷第 17 期21081614121086420裂纹扩展量/mm0.00E+003.00E+007.00E+001.00E+074.00E+078.00E+072.00E+076.00E+075.00E+079.00E+07循环次数/次图 5 裂纹扩展量与循环次数表 1 直径与循环次数的关系直径 D/mmmin/MPamax/MPaNf/次8131.19401.2325 34710128.43391.2827 74912126.19380.9230 66914123.42371.4833 62916121.32361.9137 003升，最大交变应力降低。采用止裂孔可抑制裂纹的产生，孔径越大止裂效果越好，抑制应力集中，但止裂孔得孔径过大，钢板剩余截面小，会导致局部应力突增，最终引起疲劳裂纹再生。当构件宽度不变时，增大止裂孔孔径对提升钢板疲劳寿命有显著效果。2.3 螺栓预紧力的分析采用对称模型对钢板试件进行有限元分析。张力条件下的材料性能和摩擦系数一致，利用螺栓的预紧力。当施加 40 kN 的预紧力时，在有限元模型中施加循环荷载，得到钢板的等效交变应力，如图 6 所示。200190180170160150140最大主应力/MPa0 10 20 30 40 50 60 70 80预紧力大小/kN图 6 螺栓预紧力与钢板最大主应力的关系随着预紧力增大，最大应力值呈现先下降再趋于平缓的趋势，最后预紧力大于 50 kN 后骤然提升。因此，预紧力为 40 kN 时较合适。增加螺栓使钢板应力发生变化，最大应力由裂缝处转移至止裂孔边缘，缓解了疲劳裂纹端头应力集中的现象。由此可知，高强螺栓止裂孔可有效促进止裂现象。在施加螺栓预紧力后，螺栓与垫片、垫片与钢板之间产生摩擦力，降低端头的应力值。螺栓试件应力幅降低与螺栓预紧力相关，促使钢板被压缩，从而压缩了切向应力，从而利于裂纹闭合，抑制裂纹扩展。当循环荷载为100 Nmm、预紧力为 40 kN 时、裂缝端头疲劳寿命循环次数为 401 440 次时，是止裂孔止裂时的 11.9 倍，预紧力可有效抑制疲劳裂纹扩展。3 结论本研究基于 ANSYS 有限元软件模拟了疲劳裂纹的扩展。通过模拟测试和分析高强螺栓止裂孔与普通止裂孔在弯曲循环荷载，定量比较高强螺栓止裂孔和普通止裂孔对疲劳裂纹的影响，得到如下结论。止裂孔孔径增大可有效改善钢结构构件的疲劳效果，随着止裂孔的增大，裂纹端头最大应力下降，疲劳循环次数增加，即延长疲劳寿命；但孔径增大到一定程度时应力值骤然增大，导致强度破坏，故需在一定范围内控制孔径的增大。高强螺栓改变了裂缝和止裂孔处的应力分布，预紧力使垫片和钢板间产生摩擦力，抑制了外部循环荷载，减小了孔边和裂纹端头的应力，螺栓连接件裂纹尖端的应力强度因子下降，从而限制疲劳裂纹的开裂，有效延长了疲劳寿命。有限元研究表明：高强螺栓止裂的疲劳循环次数是单止裂孔止裂疲劳循环次数的 12 倍。与传统止裂孔抑制疲劳裂纹扩展的方式相比，高强螺栓止裂法延长疲劳寿命的效果明显。因此，在钢结构建筑疲劳裂纹的修复和维护过程中，采用高强螺栓止裂孔修复是比较有效的选择。参考文献1 尹越,刘锡良.钢结构疲劳裂纹的止裂和修复 C./第四届全国现代结构工程学术研讨会论文集,2004:767770.2 袁周致远,吉伯海,傅中秋.钢结构疲劳裂纹合理止裂孔形状研究 J.南京理工大学学报(自然科学版),2017,41(5):556561.3 路佳阔.宽幅空心板桥梁承载力分析及抗剪加固技术 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