CN105603873B - 一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法，该方法包括确定步骤、锤击步骤、止裂步骤和加固步骤，确定步骤：对铁路钢桥进行检查，确定是否有裂纹，若无裂纹则分析工型梁腹板竖向加劲肋端部的受力，判断是否有产生裂纹的风险；锤击步骤：对工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位进行超声波锤击；止裂步骤：采用磁力钻在该加劲肋端部裂纹的尖端钻圆孔，同时裂纹尖端落入圆孔中；加固步骤：采用角钢和垫板将工型梁的下翼缘和竖向加劲肋进行连接，减小面外变形。本发明的有益效果：能够改善焊接疲劳强度和延长寿命；增大开裂部位局部刚度，减小面外变形，有效阻止裂纹的进一步扩展。

Description

一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体而言，涉及一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法。
背景技术
铁路重载运输在集中、大宗、长距离的货物运输方面具有明显经济优势，其运输效益已由国内外铁路运输行业业绩所证实。近年来，随着新技术的研究与应用，铁路重载运输得到了快速发展，运输效率不断提高，已成为世界铁路货物运输的主要发展方向之一。随着我国客运铁路网的建设和投入运营，通过新建部分货运通道和更高效地利用既有铁路组织货物运输，将是我国铁路发展的主要方向之一。
经过对我国既有钢桥的调研，有些钢梁已产生疲劳问题，例如盖板端焊缝裂纹、横梁与主桁连接处裂纹、纵横梁不等高处牛腿翼缘焊接位置处裂纹、工型梁腹板竖向加劲肋端部裂纹等，其中以工型梁腹板竖向加劲肋端部裂纹为数较多。在开行重载列车后，这些裂纹可能会进一步加剧，因此必须采取相应的措施予以补强。
一般来说钢桥疲劳裂纹的起因大致有两种，一种是由于主应力引发的疲劳裂纹，另一种是由于面外变形引发的疲劳裂纹。对于由主应力引发的疲劳裂纹可通过制定合适的疲劳设计规范和保证加工质量得到有效的控制，但是对于面外变形引发的疲劳裂纹，由于目前研究不深、发生频率较高等方面的原因，更需要予以重视，应针对不同裂纹类型分析具体成因，选择合理有效的预防和加固方法。工型梁腹板竖向加劲肋端部裂纹为典型由腹板的反复面外变形引发的疲劳裂纹，该裂纹起初一般平行于应力场，不会对桥梁的安全造成严重影响，但当裂纹尖端转向与应力场垂直时，裂纹可能进一步扩展到翼缘，导致主梁丧失承载能力，因此应及时予以修复。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种针对工型梁腹板竖向加劲肋端部裂纹的预防和加固方法。
本发明提供了一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法，其特征在于，该方法包括确定步骤、锤击步骤、止裂步骤和加固步骤，
所述确定步骤为：通过对铁路钢桥进行实桥检查，确定所述铁路钢桥是否有裂纹，如果有裂纹，则进行所述止裂步骤后进行所述加固步骤对所述铁路钢桥进行疲劳裂纹的止裂和加固处理；如果没有裂纹，则对所述铁路钢桥进行动载测试或者建立局部有限元模型进行计算，分析所述铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部的受力，确定所述铁路钢桥是否有产生裂纹的风险性，如果所述铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部的热点应力超过100MPa或面外变形超过0.1mm，所述铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部有产生裂纹的风险，则进行所述锤击步骤延缓所述铁路钢桥裂纹的产生，或者进行所述加固步骤避免所述铁路钢桥裂纹的产生；如果进行所述锤击步骤后，所述述铁路钢桥仍然产生裂纹，则进行所述止裂步骤后进行所述加固步骤对所述铁路钢桥进行疲劳裂纹的止裂和加固处理；
所述锤击步骤为：对所述工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位进行超声波锤击；
所述止裂步骤为：采用磁力钻在所述工型梁腹板竖向加劲肋端部裂纹的尖端钻圆孔，孔的直径与所述工型梁腹板的厚度相同，为10mm，同时裂纹尖端落入所述圆孔中；
所述加固步骤为：采用角钢和垫板将工型梁的下翼缘和竖向加劲肋进行连接，减小面外变形。
作为本发明进一步的改进，所述加固步骤具体包括：
步骤A1，采用磁力钻在工型梁的下翼缘和加劲肋上钻孔，这些孔作为连接高强螺栓栓孔；
其中，在对所述下翼缘钻孔时，分别在所述工型梁腹板两侧、所述竖向加劲肋两侧共四处进行钻孔，每处各钻两孔；在对所述加劲肋钻孔时，在所述工型梁腹板两侧竖向加劲肋的下端共两处进行钻孔，每处各钻两孔；
步骤A2，在所述工型梁腹板两侧、所述竖向加劲肋两侧安装垫板和加固角钢，共四处。
作为本发明进一步的改进，所述锤击步骤具体包括：
步骤B1，确定所述工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位为锤击部位；
步骤B2，对所述锤击部位进行清理，清除焊趾熔渣、焊接飞溅杂物，保证锤击部位在锤击前干燥或不被污染；
步骤B3，将锤击范围内的焊瘤、飞溅及不顺直的焊缝，打磨干净平顺，采用砂轮沿焊趾修磨成匀顺的直线或圆弧线，便于操作中超声锤击头匀速连续运行，在修磨时不得损伤焊缝或母材，避免产生新的缺陷；
步骤B4，采用直径为φ3的球形超声锤击头在锤击部位进行初次锤击，采用三锤头阵列平行于焊趾的方式，对准焊趾，所述超声锤击头的锤击枪针与相应焊趾边的母材表面成60～70度夹角，所述超声锤击头的锤击枪移动速度控制在300～400毫米/分钟，来回往复运动4～5遍，消除焊趾咬边缺陷；
步骤B5，采用直径为φ5的球形超声锤击头在锤击部位进行二次锤击，扩大锤坑的宽度和深度，锤坑圆弧半径应与直径为φ5的球形超声锤击头的半径相符合，锤坑深度应为0.1～0.2毫米；
步骤B6，采用砂纸或抛光机对锤坑进行处理，消除锤击冷作引起的飞刺、折痕缺陷；
步骤B7，检测锤坑深度、锤坑圆弧半径、锤击匀顺程度、连续性和锤击范围，若达到质量要求，则验收结束，若未达到质量要求，则进行步骤B5。
作为本发明进一步的改进，所述步骤A1中，高强螺栓采用M22高强螺栓，孔的直径偏差为：φ24±0.50mm，螺栓孔距的偏差±0.4mm。
作为本发明进一步的改进，所述步骤A2中，加固角钢截面尺寸为L200mmx16mm，长为105mm，角钢垫板尺寸为200mmx105mmx20mm。
作为本发明进一步的改进，所述锤击步骤中采用的超声锤击头的输出功率1000W，工作频率19.75KHz，输出振幅50μm。
本发明的有益效果为：
1、通过超声波锤击，改善了焊缝与母材过渡表面形状，降低了焊缝应力集中程度，产生了一定厚度的强化层和表面压应力，能够改善焊接疲劳强度和延长寿命；
2、通过在裂纹尖端打圆孔止裂孔，并在翼缘增加角钢，增大了开裂部位局部刚度，减小了面外变形，有效阻止了裂纹的进一步扩展。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法的流程示意图；
图2为图1中锤击步骤的流程示意图；
图3为图2中锤击部位的示意图；
图4为图2中步骤B4的锤击枪角度示意图；
图5为图1加固步骤中的角钢加固示意图；
图6为图1加固步骤中的角钢和垫板结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法，以铁路64m下承式钢桁梁的纵梁为例。该纵梁材质为Q345qD钢，跨度为8m，高1290mm；上下翼缘宽240mm、厚16mm，腹板高1258mm、厚10mm；腹板两侧各设有5个竖向加劲肋。该预防和加固方法包括确定步骤、锤击步骤、止裂步骤和加固步骤。
确定步骤为：通过对铁路钢桥进行实桥检查，确定铁路钢桥是否有裂纹，如果有裂纹，则进行止裂步骤后进行加固步骤对铁路钢桥进行疲劳裂纹的止裂和加固处理；如果没有裂纹，则对铁路钢桥进行动载测试或者建立局部有限元模型进行计算，分析铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部的受力，确定铁路钢桥是否有产生裂纹的风险性，如果铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部的热点应力超过100MPa或面外变形超过0.1mm，铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部有产生裂纹的风险，则进行锤击步骤延缓铁路钢桥裂纹的产生，或者进行加固步骤避免铁路钢桥裂纹的产生；如果进行锤击步骤后，述铁路钢桥仍然产生裂纹，则进行止裂步骤后进行加固步骤对铁路钢桥进行疲劳裂纹的止裂和加固处理。
锤击步骤为：在工型梁腹板竖向加劲肋开裂之前，对工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位进行超声波锤击，如图2所示，具体包括：
步骤B1，确定工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位为锤击部位，该锤击部位如图3所示；
步骤B2，对锤击部位进行清理，清除焊趾熔渣、焊接飞溅杂物，保证锤击部位在锤击前干燥或不被污染；
步骤B3，将锤击范围内的焊瘤、飞溅及不顺直的焊缝，打磨干净平顺，采用砂轮沿焊趾修磨成匀顺的直线或圆弧线，便于操作中超声锤击头匀速连续运行，在修磨时不得损伤焊缝或母材，避免产生新的缺陷；
步骤B4，采用直径为φ3的球形超声锤击头在锤击部位进行初次锤击，采用三锤头阵列平行于焊趾的方式，对准焊趾，如图4所示，超声锤击头的锤击枪针与相应焊趾边的母材表面成60～70度夹角，超声锤击头的锤击枪移动速度控制在300～400毫米/分钟，来回往复运动4～5遍，消除焊趾咬边缺陷，超声锤击头的输出功率1000W，工作频率19.75KHz，输出振幅50μm；
步骤B5，采用直径为φ5的球形超声锤击头在锤击部位进行二次锤击，扩大锤坑的宽度和深度，锤坑圆弧半径应与直径为φ5的球形超声锤击头的半径相符合，锤坑深度应为0.1～0.2毫米；
步骤B6，采用砂纸或抛光机对锤坑进行处理，消除锤击冷作引起的飞刺、折痕缺陷；
步骤B7，检测锤坑深度、锤坑圆弧半径、锤击匀顺程度、连续性和锤击范围，若达到质量要求，则验收结束，若未达到质量要求，则进行步骤B5。
止裂步骤为：在发现工型梁腹板竖向加劲肋有裂纹之后，采用磁力钻在裂纹尖端钻圆孔，孔的直径与工型梁腹板的厚度相同，为10mm，同时裂纹尖端落入圆孔中。
加固步骤为：如图5所示，采用角钢和垫板将工型梁的下翼缘和竖向加劲肋进行连接，减小面外变形，具体包括：
步骤A1，采用磁力钻在工型梁的下翼缘和加劲肋上钻孔，这些孔作为连接高强螺栓栓孔，高强螺栓采用M22高强螺栓，孔的直径偏差为：φ24±0.50mm，螺栓孔距的偏差±0.4mm；
其中，在对下翼缘钻孔时，分别在工型梁腹板两侧、竖向加劲肋两侧共四处进行钻孔，每处各钻两孔；在对加劲肋钻孔时，在工型梁腹板两侧竖向加劲肋的下端共两处进行钻孔，每处各钻两孔；
步骤A2，在工型梁腹板两侧、竖向加劲肋两侧安装垫板和加固角钢，共四处，如图6所示，加固角钢截面尺寸为L200mmx16mm，长为105mm，角钢垫板尺寸为200mmx105mmx20mm。
经疲劳试验验证，通过超声波锤击，改善了焊缝与母材过渡表面形状，降低了焊缝应力集中程度，产生了一定厚度的强化层和表面压应力，能够改善焊接疲劳强度和延长寿命，该处经超声波锤击后，寿命可延长10％以上。采用在翼缘增加角钢的方法，有效的增加了局部刚度，减小了面外变形，经过较大的应力幅(超过铁路64m下承式钢桥实际应力幅约4倍以上)200万次循环后，有裂纹的情况下裂纹不会进一步扩展，无裂纹的情况下不会产生裂纹。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法，其特征在于，该方法包括确定步骤、锤击步骤、止裂步骤和加固步骤，
所述确定步骤为：通过对铁路钢桥进行实桥检查，确定所述铁路钢桥是否有裂纹，如果有裂纹，则进行所述止裂步骤后进行所述加固步骤对所述铁路钢桥进行疲劳裂纹的止裂和加固处理；如果没有裂纹，则对所述铁路钢桥进行动载测试或者建立局部有限元模型进行计算，分析所述铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部的受力，确定所述铁路钢桥是否有产生裂纹的风险性，如果所述铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部的热点应力超过100MPa或面外变形超过0.1mm，所述铁路钢桥的工型梁腹板竖向加劲肋端部有产生裂纹的风险，则进行所述锤击步骤延缓所述铁路钢桥裂纹的产生，或者进行所述加固步骤避免所述铁路钢桥裂纹的产生；如果进行所述锤击步骤后，所述铁路钢桥仍然产生裂纹，则进行所述止裂步骤后进行所述加固步骤对所述铁路钢桥进行疲劳裂纹的止裂和加固处理；
所述锤击步骤为：对所述工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位进行超声波锤击，具体包括：
步骤B1，确定所述工型梁腹板两侧竖向加劲肋焊缝端部100mm内焊趾处以及各焊道之间的内凹部位为锤击部位；
步骤B2，对所述锤击部位进行清理，清除焊趾熔渣、焊接飞溅杂物，保证锤击部位在锤击前干燥或不被污染；
步骤B3，将锤击范围内的焊瘤、飞溅及不顺直的焊缝，打磨干净平顺，采用砂轮沿焊趾修磨成匀顺的直线或圆弧线，便于操作中超声锤击头匀速连续运行，在修磨时不得损伤焊缝或母材，避免产生新的缺陷；
步骤B4，采用直径为φ3的球形超声锤击头在锤击部位进行初次锤击，采用三锤头阵列平行于焊趾的方式，对准焊趾，所述超声锤击头的锤击枪针与相应焊趾边的母材表面成60～70度夹角，所述超声锤击头的锤击枪移动速度控制在300～400毫米/分钟，来回往复运动4～5遍，消除焊趾咬边缺陷；
步骤B5，采用直径为φ5的球形超声锤击头在锤击部位进行二次锤击，扩大锤坑的宽度和深度，锤坑圆弧半径应与直径为φ5的球形超声锤击头的半径相符合，锤坑深度应为0.1～0.2毫米；
步骤B6，采用砂纸或抛光机对锤坑进行处理，消除锤击冷作引起的飞刺、 折痕缺陷；
步骤B7，检测锤坑深度、锤坑圆弧半径、锤击匀顺程度、连续性和锤击范围，若达到质量要求，则验收结束，若未达到质量要求，则进行步骤B5；
所述止裂步骤为：采用磁力钻在所述工型梁腹板竖向加劲肋端部裂纹的尖端钻圆孔，孔的直径与所述工型梁腹板的厚度相同，为10mm，同时裂纹尖端落入所述圆孔中；
所述加固步骤为：采用角钢和垫板将工型梁的下翼缘和竖向加劲肋进行连接，减小面外变形，具体包括：
步骤A1，采用磁力钻在工型梁的下翼缘和加劲肋上钻孔，这些孔作为连接高强螺栓栓孔；
其中，在对所述下翼缘钻孔时，分别在所述工型梁腹板两侧、所述竖向加劲肋两侧共四处进行钻孔，每处各钻两孔；在对所述加劲肋钻孔时，在所述工型梁腹板两侧竖向加劲肋的下端共两处进行钻孔，每处各钻两孔；
步骤A2，在所述工型梁腹板两侧、所述竖向加劲肋两侧安装垫板和加固角钢，共四处。
2.根据权利要求1所述的预防和加固方法，其特征在于，所述步骤A1中，高强螺栓采用M22高强螺栓，孔的直径偏差为：φ24±0.50mm，螺栓孔距的偏差±0.4mm。
3.根据权利要求1所述的预防和加固方法，其特征在于，所述步骤A2中，加固角钢截面尺寸为L200mmx16mm，长为105mm，角钢垫板尺寸为200mmx105mmx20mm。
4.根据权利要求1所述的预防和加固方法，其特征在于，所述锤击步骤中采用的超声锤击头的输出功率1000W，工作频率19.75KHz，输出振幅50μm。
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