CN103627865B

CN103627865B - 钢板疲劳裂纹的修复方法

Info

Publication number: CN103627865B
Application number: CN201310020364.1A
Authority: CN
Inventors: 赫传凯; 翟传明; 刘云飞
Original assignee: C+E CENTER FOR ENGINEERING RESEARCH TEST AND APPRAISAL
Current assignee: CLP Engineering Research Center Co., Ltd. detection and evaluation
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103627865A

Abstract

本发明公开一种钢板疲劳裂纹的修复方法，其中，在形成有疲劳裂纹的钢板的表面上、平行于疲劳裂纹依次在疲劳裂纹的两侧对钢板的表面施加锤击处理，使得钢板的表面产生塑性变形以沿着疲劳裂纹形成裂纹接触面从而使疲劳裂纹在钢板的表面上的开口闭合。

Description

钢板疲劳裂纹的修复方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳裂纹的修复方法，尤其涉及一种钢板疲劳裂纹的修复方法。

背景技术

如果一个钢结构，以钢结构桥梁为例，受到了循环荷载的作用，由于金属疲劳，在它的表面会产生裂纹，如果对之放任不管的话，疲劳裂纹就会进一步发展，使得钢结构桥梁不能满足极限承载能力的要求。因此，在钢结构桥梁的维护和管理中，应对疲劳裂纹的方法，如疲劳裂纹的预防，早期检测，修补加固等措施是非常必要的。

在中国，从20世纪80年代开始，随着经济的高速发展，道路系统发展迅速，在此期间，修建了许多钢结构桥梁。这些桥梁建成使用已经过去了30多年了，各种老化现象十分严重，此外，随着近年来交通负荷的加重以及使用频率的增加，有些钢结构桥梁在焊缝部位已经出现疲劳裂纹。

图3表示的是在外表面角焊缝的一个疲劳裂纹，它显示的是在焊缝区焊趾部位疲劳裂纹的产生状况。在图中，5为角焊缝，图中角撑板6被垂直焊在钢板14上。由于焊接时发热引起的拉伸残余应力的积累以及焊缝2在7处焊趾端的形状突变引起的应力集中，所以疲劳裂纹更容易在图中3部位产生。

图3(a)为疲劳裂纹3未发生时的状况，图3(b)为疲劳裂纹3在形状突变处7的焊趾端开始出现的情况(以下称N_toe)，图3(c)为疲劳裂纹3继续发展，开始从焊缝焊趾区分离(以下称N_b)，图3(d)(以下称N₁₀)为疲劳裂纹3在7处焊趾区继续发展，并从焊缝焊趾区分离，在钢板14上延伸大约10mm的情况。从N₁₀中我们不难发现裂缝3的发展是很迅速的。

当我们能够判断出这样的裂纹在短时间内会继续发展，并根据裂纹的发展状况以及钢结构桥梁的重要程度知道它很危险的话，作为对它的修复加固，我们可以在裂纹发生区域安排一块拼接板，使用高强度螺栓进行连接，这是一个持久的对裂纹进行修复和加固的措施。

当我们判断出疲劳裂纹不会发展到很危险的地步，我们可以在疲劳裂纹发展的端部钻一个小孔，来释放此处的集中应力，这种措施可以暂时阻止疲劳裂纹的发展。

专利文献1(JP，2008-520443，A)中描述的疲劳裂纹预防方法同样适用于焊缝焊趾区疲劳裂纹的预防。如图4(a)所示，我们通过超声冲击装置15对焊缝2的焊趾区进行锤击，使此区域产生塑性变形如图4(b)所示，产生超声波处理表面16。

在焊接过程中，产生的热量会使钢构件中拉伸残余应力积累，随着超声波处理表面16的形成，拉伸残余应力得到释放，并在超声波处理表面16附近产生压缩残余应力，同时，焊趾部位及附近的形状变得圆滑，应力集中的影响被削弱。通过这些处理，疲劳强度加强，疲劳裂纹就不容易产生。

上述提到的进行裂纹修复和加固的常规方法，即，通过安排拼接板，使用高强度螺栓进行连接，一方面要耗费大量的人力物力，花费很大，而且在实工过程中，需要中断交通，不适宜应用在全部的已经产生疲劳裂纹的大桥中。

通过在裂纹端部钻去孔洞的方法，是一个行之有效的阻止小的疲劳裂纹进一步发展的方法。尽管修复效果很好，由于合适的疲劳强度评估方法没有建立，所以在实际情况中，通常作为急救措施被使用。

尽管小孔的孔径取决于钢板的厚度，但是通常情况下，不会小于20mm，所以在一些情况下，如焊缝焊趾区的疲劳裂纹，没有足够的钻孔空间来进行钻孔。因为这个原因，只能等到裂纹发展到脱离焊趾区，在平板部位延伸开来时，再使用此方法。也就是说，这种方法不应用于裂纹发展的初始阶段。

专利文献1中描述的疲劳裂纹预防方法适用于疲劳裂纹没有产生的阶段，即使它被用在裂纹发展的初始阶段，一般来说是没有效果的。

因此，提供一种能够解决上述问题的钢板疲劳裂纹的修复方法成为业内急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种钢板疲劳裂纹的修复方法，本发明在裂纹发展的初始阶段也同样适用，所以能简单廉价的修复疲劳裂纹或阻止疲劳裂纹的发展。本发明提供的疲劳裂纹修复方法能够延缓疲劳裂纹的发展，使得钢板的疲劳寿命得到延长。

钢材表面的疲劳裂纹一般情况下从它产生的部位，沿着横向和深度方向呈半椭圆形发展，而且很快就会到达钢材的底面。上述提到的钻孔方法虽然阻止了裂纹往横向发展，却不能阻止其向深度方向发展。基于这一点，本发明将同时阻止裂纹往横向以及深度方向发展，这样就阻止了撕裂表面的膨胀。

根据本发明，提供一种钢板疲劳裂纹的修复方法，其中，在形成有疲劳裂纹的钢板的表面上、平行于疲劳裂纹依次在疲劳裂纹的两侧对钢板的表面施加锤击处理，使得钢板的表面产生塑性变形以沿着疲劳裂纹形成裂纹接触面从而使疲劳裂纹在钢板的表面上的开口闭合。

优选地，钢板可以为平面钢板或弧面钢板。

优选地，可以进一步包括在疲劳裂纹的正上方沿着疲劳裂纹延伸的方向对钢结构的表面施加锤击处理。

接下来将描述每一种上述问题的解决方法，必要时描述操作效果。

本发明的钢板疲劳裂纹修复方法把修复平板以及曲面板钢材料上产生的疲劳裂纹作为主要目标，在此方法中，有一个在疲劳裂纹附近进行锤击的过程，此过程中，通过在裂纹两边(至少一边)沿着裂纹平行方向进行锤击，在钢材料表面产生塑性变形，使疲劳裂纹的开口闭合，并产生一个裂纹接触面。

如果在产生疲劳裂纹的钢材料上施加外力，疲劳裂纹四周就会有拉应力产生，此拉应力会使疲劳裂纹的内侧表面向两边分离，裂纹宽度就会扩展，裂纹就会朝着深度方向发展。根据本发明前面的论述，通过本发明的裂纹修复方法，疲劳裂纹开口关闭，会在裂纹内表面形成裂纹接触面，在裂纹接触面会产生很大的残余压应力。因此，残余压应力会抵消有外力产生的拉应力，这样疲劳裂纹就不容易开裂，阻止或延迟了疲劳裂纹的发展，延长了钢结构的疲劳寿命。

如果只是在疲劳裂纹正上方实施锤击，由于在使疲劳裂纹内侧表面关闭的方向上很难产生塑性变形，裂纹接触面就很难有效形成。本专利中，由于实施了疲劳裂纹附近锤击过程，使得疲劳裂纹内侧表面关闭的方向上产生塑性变形，裂纹接触面有效形成。

由于本发明只是通过在钢板表面进行锤击的方法，而且很适合在裂纹发展的初级阶段，也不用考虑疲劳裂纹产生区域的钢板发展状况。所以，本发明简单价廉的进行了疲劳裂纹修复。

本发明的钢板疲劳裂纹修复方法把修复平板以及曲面板钢材料上产生的疲劳裂缝作为主要目标，如果需要的话，作为前面提到的疲劳裂纹附近捶打过程的后续处理，通过捶打疲劳裂纹的正上方，在钢材料表面产生塑性变形，这样就能增加疲劳裂纹的接触面积或接触压力。

通过疲劳裂纹附近捶打过程，形成裂纹接触面，通过疲劳裂纹正上方捶打过程，裂纹接触面的接触面积和接触压力增大。这样在疲劳裂纹附近产生很大的压缩残余应力，抵抗拉应力的效果就会更好。

通常我们会假设，经过裂纹正上方的捶打过程，裂纹接触面的接触面积和接触压力都会增加，但是我们也应考虑到，只有接触压力增加，接触面积不变，或者只有接触面积增加，接触压力不变，或者接触面积和解除压力部分减小。

由于抵抗拉应力的效果由接触面积与接触压力的乘积决定，所以作为疲劳裂纹附近锤击的后续过程，疲劳裂纹正上方锤击必然有一定的作用。

在本发明的钢板疲劳裂纹修复方法中，作用在上述裂纹接触面的残余压应力最好大于设计拉应力。

如果作用在上述裂纹接触面的残余压应力大于设计拉应力，那么在设计拉应力的作用下，疲劳裂纹就不会开裂。这样，就能有效的阻止或延迟疲劳裂纹的进一步发展，延长钢板的疲劳寿命。

如果作用在上述裂纹接触面的残余压应力大于钢材料的屈服应力就更好了。

根据容许应力法的规定，容许拉应力占到屈服应力的1/1.7，实际作用在材料上的拉应力占容许拉应力的1/2多一点。因此，如果产生的压缩残余应力大于屈服应力的话，就能可靠的阻止疲劳裂纹的发展。

钢结构通常被设计有一定的寿命，我们应该维护钢结构的整体稳定性。所以，我们没有必要对某一部分修复的特别结实，结实到此部分超过了整个结构的寿命。我们要做的就是，在进行疲劳裂纹的修复时，能够有效阻止疲劳裂纹的发展，使它的发展速度能够适应结构的剩余寿命。从这一点来说，本发明可以看做与前面的开孔修复与加固定板修复方法一样，是一种永久性的疲劳裂纹修复方法。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1直观描述了本发明的疲劳裂缝修复方法，(a)描述了钢板顶部疲劳裂纹的产生，(b)展示了本发明中的第一实施方式，即疲劳裂纹附近锤击过程的情况，(c)展示了本发明中的第二实施方式，即疲劳裂纹正上方锤击过程的情况。

图2为一组横截面图，形象描述了本专利中疲劳裂纹修复方法产生的效果，(a)描述了钢板顶部疲劳裂纹的产生，(b)表示当外力作用在(a)中钢板的两端时，在钢板表面产生拉伸应力的情况，(c)表示经过本发明中的裂纹修复方法后，产生了裂纹接触面，从而关闭了(a)中钢材料的疲劳裂纹，在此过程中，压缩残余应力产生，(d)显示的是(c)中钢材在两端外力作用下，压缩残余应力减小的情况。

图3描述了现有技术中的疲劳裂纹在外表面角焊缝焊趾区产生及发展的情况，(a)为疲劳裂纹未发生时的状况，(b)为疲劳裂纹在正面角焊缝的焊趾处开始出现的情况，(c)为疲劳裂纹继续发展，开始从焊缝焊趾区开分离，(d)为疲劳裂纹在焊趾区继续发展，从焊缝焊趾区分离，在钢板上延伸大约10mm的情况。

图4示出现有技术中的阻止角焊缝焊趾区疲劳裂纹产生的前处理技术，(a)为用超声冲击装置对角焊缝焊趾区进行冲压，(b)为经过超声冲压处理后在钢材料表面产生的塑性变形。

具体实施方式

接下来参照附图具体描述本发明的钢板疲劳裂纹的修复方法。

<第一实例>

图1(a)和图1(b)描述了本实例中疲劳裂纹修复方法的简图。其中图1(a)为疲劳裂纹在钢板上表面产生，图1(b)为本实例中实施的疲劳裂纹附近锤击过程。

要保证锤击的轨迹不重叠在裂纹之上。如图1(a)所示，如果疲劳裂纹3在钢板1上发生，我们会进行修复来阻止疲劳裂纹的继续发展。图1(b)显示了修复条件，在疲劳裂纹的两侧沿着疲劳裂纹平行方向锤击出两条轨迹L1和L2。在这里，L1和L2距离疲劳裂纹的间隔相等，而且要保证两条锤击轨迹不重叠在疲劳裂纹之上。

接下来，随着锤击轨迹L1和L2的出现，在钢板1的表面会产生塑性变形，疲劳裂纹3的开口会闭合，裂纹接触面3a形成。这个过程被称为疲劳裂纹附近锤击过程。裂纹接触面3a只在裂纹上部形成接触面，下部不太会接触到。

在锤击工具4的端部连着锤头4a。在气压动力压缩机(未显示)的帮助下，锤头4a高速振动，锤击工具4变成一个高速振动的气锤。

锤头4a的形状为一个4mm×5mm的平面矩形，四周的直角被剪成倒圆角。虽然这一形状被认为最容易在钢板1的表面产生塑性变形，但是最理想的锤头形状随着气压以及锤击工具的使用情况会不一样。

虽然喷丸处理也能完成锤击操作但从各种施工条件下的操作性考虑的话，气锤是最合适的。

根据本实例，疲劳裂缝3的开口闭合，疲劳裂纹接触面3a形成，在疲劳裂纹接触面产生了大量的压缩残余应力。因此，残余压应力会抵消有外力产生的拉应力，这样疲劳裂纹就不容易开裂，阻止或延迟了疲劳裂纹的发展，延长了钢结构的疲劳寿命。

如果只是在疲劳裂纹正上方实施锤击，由于在使疲劳裂纹内侧表面关闭的方向上很难产生塑性变形，裂纹接触面就很难有效形成。本本实例中，由于实施了疲劳裂纹附近锤击过程，使得疲劳裂纹内侧表面关闭的方向上产生塑性变形，裂纹接触面有效形成。

由于本实例中只是通过锤击工具4在钢结构表面进行锤击，而且很适合在疲劳裂纹3发展的初级阶段，也不用考虑疲劳裂纹3产生区域的钢结构发展状况。所以，本发明简单价廉的进行了疲劳裂纹修复，而且只是在钢板1的表面进行处理。

在本实例中，这个疲劳裂纹修复方法在裂缝3发展到一定程度时不适用。当疲劳裂纹进一步发展，裂纹宽度变得很大时，即使通过在钢板表面施加塑性变形形成裂纹接触面3a，考虑到此时塑性变形很大，对钢板的截面性能会有不利影响。

在后面的实例中，我们采用与本实例同样的锤击工具4和锤头4a。

<第二实例>

在本实例中，如图1(c)所示，有一个疲劳裂纹正上方锤击过程。在实施第一实例中的疲劳裂纹附近锤击过程之后(如图1(b)所示)，在疲劳裂纹正上方实施锤击轨迹L3的锤击，L3可使接触面积与接触压力增大，锤击轨迹L3的锤击过程被称为疲劳裂纹正上方锤击过程。

因此，经过疲劳裂纹正上方锤击过程之后，已经形成的疲劳裂纹接触面3a不会再开裂。在这里要强调一点，锤击工具4的锤头4a的宽度不取决于图1(a)中裂缝3的宽度。

随着接触面积及接触压力的增加，在裂纹接触面3a处产生很高的压缩残余应力，抵抗拉应力的效果也变得更好。

图2显示的是本方法实施效果的截面图，图2(a)表示裂纹在钢板1上产生。图2(b)表示当外力如拉应力和弯矩作用在图2(a)中钢板1两端，疲劳裂纹3发展，钢板1表面产生拉应力。图2(c)表示的是在图2(a)中钢板1上实施裂纹附近锤击过程以及裂纹正上方锤击过程，此过程中裂缝接触表面3a形成，残余压应力产生。图2(d)表示的是压缩残余压应力抵抗外力的表现，随着外力的作用，残余压应力减少。

在图2(b)中，如果疲劳裂纹没有修复的话，如果很大的拉应力作用在钢板表面的话，拉力会朝着增大裂纹宽度的方向作用，如果是反复循环荷载的话，裂纹就会发展。

另一方面，如果像图2(c)中所示对疲劳裂纹进行修补的话，裂纹开口关闭，裂纹接触面3a形成，压缩残余应力在3a中产生。在这种状态下，如果有很大的拉伸应力作用在钢板1的表面，拉应力会朝着使裂纹加大的方向作用。如图2(d)所示，如果在接触面3a处产生的压缩残余应力大于拉应力的话，压缩残余应力会抵消拉应力，疲劳裂纹3就不会开裂。所以当循环荷载作用时，就会阻止或延迟疲劳裂纹3的开裂。

此方法简单价廉，只是通过简单的锤击就能对角焊缝处的疲劳裂纹进行修复，能够有效的阻止或延迟疲劳裂纹的发展，延长疲劳寿命。在本实例中，由于疲劳裂纹从N_p到N₁₀非常快，所以我们可以等到N₁₀阶段再对其进行修复。

在这里，作用在裂纹接触面3a的压缩残余应力最好大于设计拉应力。如果作用在上述裂纹接触面的残余压应力大于设计拉应力，那么在设计拉应力的作用下，疲劳裂纹就不会开裂。这样，就能有效的阻止或延迟疲劳裂纹的进一步发展，延长钢结构的疲劳寿命。

如果压缩残余应力大于屈服应力的话就更好了。根据容许应力法的规定，容许拉应力占到屈服应力的1/1.7，实际作用在材料上的拉应力占容许拉应力的1/2多一点。因此，如果产生的压缩残余应力大于屈服应力的话，就能可靠的阻止疲劳裂纹的发展。

这样，为了使裂缝接触面产生很大的压缩残余应力，我们在锤击的时候需要在钢板表面产生更大的塑性变形，使得裂纹接触面3a的接触压力更大。

当压应力作用在材料上时，钢材会沿着作用方向收缩，并迅速扩展至荷载方向的矩形方向。因此，如果通过疲劳裂纹附近锤击过程后，钢材料就会在锤击方向压缩，并扩展至荷载方向的矩形方向。也就是说会沿着裂缝3闭合的方向变形。如果变形在裂缝3关闭时达到塑性变形区域，裂缝接触表面3a就会形成并保持住，进而产生压缩残余应力。

以上很详细的论述了本发明的钢结构疲劳裂缝修复方法以及为什么选用此方法能够简单价廉的进行疲劳裂纹的修复。

当然，本发明不局限在上述提出的实例。只要不偏离本发明的主要思想，都可以使用。

图1显示的3a只在裂纹3内表面的上部形成，而在裂纹3内表面下部没有接触。但是，疲劳裂纹接触面3a也有可能在整个区域形成，从上部到最深处。

既然是接触压力与接触面积的乘积决定疲劳寿命的影响情况，所以没有必要非在最上方形成接触面。然而，如果我们考虑到最大的张应力通常发生在钢板表面，所以，接触面3a的形成位置通常是接近疲劳裂缝3的上部。这样，当接触面积与接触压力是常量时，延长疲劳寿命的效果会很高。

图1中的疲劳裂纹附近锤击过程，虽然我们展示的是在一面有一条锤击轨迹，但是在特殊情况下，在一面有两个或两个以上的锤击轨迹也是可以的。

在图1所示的疲劳裂纹两边锤击过程中，虽然在裂纹两边沿着裂纹平行方向形成了两条锤击轨迹，只要能保证接触面3a的形成，在一边只形成一条锤击轨迹也是可以的。

虽然锤击钻头的尖端部被做成平面矩形，但也不是被严格限制，也会有参差不齐的情况。不仅仅是矩形，也有可能是圆形。在疲劳裂纹边缘锤击过程以及疲劳裂纹正上方锤击过程中，各式各样的锤击钻头4a都有可能被用到。

在疲劳裂纹边缘锤击过程中，尽管锤击钻头4a大体上是与钢板1成直角的，锤击也有可能从侧面进行。

如果通过这种修补方法，裂缝3的发展被推迟，钢结构的疲劳寿命延长，那么就可以作为一种持久的疲劳裂缝修补方法，但是，经过维修之后，疲劳裂缝还是进一步发展，我们可以继续进行这种修复方法，当然也可以进行常规的修复方法。

根据此案例中疲劳裂纹锤击过程中，压缩残余应力不仅仅是在疲劳裂纹产生的区域产生，在其周边也会有残余应力产生。因此，如果本专利的方法被采用的话，它同样可以在没有产生疲劳裂纹的情况下，被用来作为一种钢结构疲劳强度增加的方法，在本案例中，疲劳裂纹发展的预期线是可以判断出的，当疲劳裂纹发展的预期线与锤击间隔确定之后，我们沿着疲劳裂纹发展预期线与之平行进行锤击，残余应力可以在疲劳裂纹生成预期线及其周边产生，疲劳裂纹就会被阻止。

尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。

Claims

1.一种钢板疲劳裂纹的修复方法，其特征在于，在形成有疲劳裂纹的钢板的表面上、平行于所述疲劳裂纹依次在所述疲劳裂纹的两侧对所述钢板的表面施加锤击处理，使得所述钢板的表面产生塑性变形以沿着所述疲劳裂纹形成裂纹接触面从而使所述疲劳裂纹在所述钢板的表面上的开口闭合；

作为后续处理，进一步包括在所述疲劳裂纹的正上方沿着疲劳裂纹延伸的方向对所述钢板的表面施加锤击处理。

2.如权利要求1所述的钢板疲劳裂纹的修复方法，其特征在于，所述钢板为平面钢板或弧面钢板。