修復鋼結構疲勞裂紋的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其適用于疲勞裂紋發(fā)生的相對初始階段，能較為廉價的來修復疲勞裂紋，通過阻止或延緩疲勞裂紋的發(fā)展能增加鋼結構的疲勞壽命。該方法包括在疲勞裂紋附近的錘擊過程，通過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裂縫接觸面來阻止裂縫的繼續(xù)開裂。作為疲勞裂縫附近錘擊過程的后續(xù)過程，此方法還包括通過迅速錘擊疲勞裂紋正上方的鋼板來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程。
【專利說明】修復鋼結構疲勞裂紋的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種疲勞裂紋的修復方法，尤其涉及一種鋼結構疲勞裂紋的修復方法。
【背景技術】
[0002]如果一個鋼結構，以鋼結構橋梁為例，受到了循環(huán)荷載的作用，由于金屬疲勞，在它的表面會產(chǎn)生裂紋，如果對之放任不管的話，疲勞裂紋就會進一步發(fā)展，使得鋼結構橋梁不能滿足極限承載能力的要求。因此，在鋼結構橋梁的維護和管理中，應對疲勞裂紋的方法，如疲勞裂紋的預防，早期檢測，修補加固等措施是非常必要的。
[0003]在中國，從20世紀80年代開始，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，道路系統(tǒng)發(fā)展迅速，在此期間，修建了許多鋼結構橋梁。這些橋梁建成使用已經(jīng)過去了 30多年了，各種老化現(xiàn)象十分嚴重，此外，隨著近年來交通負荷的加重以及使用頻率的增加，有些鋼結構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。由于焊接時發(fā)熱引起的拉伸殘余應力的積累以及焊縫2在7處焊趾端的形狀突變引起的應力集中，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)生時的狀況，圖16 (b)為疲勞裂紋3在形狀突變處7的焊趾端開始出現(xiàn)的情況(以下稱Nt(J，圖16(c)為疲勞裂紋3繼續(xù)發(fā)展，開始從焊縫焊趾區(qū)分離(以下稱Nb)，圖16 (d)(以下稱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]當我們能夠判斷出這樣的裂紋在短時間內(nèi)會繼續(xù)發(fā)展，并根據(jù)裂紋的發(fā)展狀況以及鋼結構橋梁的重要程度知道它很危險的話，作為對它的修復加固，我們可以在裂紋發(fā)生區(qū)域安排一塊拼接板，使用高強度螺栓進行連接，這是一個持久的對裂紋進行修復和加固的措施。
[0007]當我們判斷出疲勞裂紋不會發(fā)展到很危險的地步，我們可以在疲勞裂紋發(fā)展的端部鉆一個小孔，來釋放此處的集中應力，這種措施可以暫時阻止疲勞裂紋的發(fā)展。
[0008]專利文獻1(JP，2008-520443，A)中描述的疲勞裂紋預防方法同樣適用于焊縫焊趾區(qū)疲勞裂紋的預防。如圖17(a)所示，我們通過超聲沖擊裝置15對焊縫2的焊趾區(qū)進行錘擊，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]在焊接過程中，產(chǎn)生的熱量會使鋼構件中拉伸殘余應力積累，隨著超聲波處理表面16的形成，拉伸殘余應力得到釋放，并在超聲波處理表面16附近產(chǎn)生壓縮殘余應力，同時，焊趾部位及附近的形狀變得圓滑，應力集中的影響被削弱。通過這些處理，疲勞強度加強，疲勞裂紋就不容易產(chǎn)生。
[0010]上述提到的進行裂紋修復和加固的常規(guī)方法，S卩，通過安排拼接板，使用高強度螺栓進行連接，一方面要耗費大量的人力物力，花費很大，而且在實工過程中，需要中斷交通，不適宜應用在全部的已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋的大橋中。
[0011]通過在裂紋端部鉆去孔洞的方法，是一個行之有效的阻止小的疲勞裂紋進一步發(fā)展的方法。盡管修復效果很好，由于合適的疲勞強度評估方法沒有建立，所以在實際情況中，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，不會小于20mm，所以在一些情況下，如焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋，沒有足夠的鉆孔空間來進行鉆孔。因為這個原因，只能等到裂紋發(fā)展到脫離焊趾區(qū)，在平板部位延伸開來時，再使用此方法。也就是說，這種方法不應用于裂紋發(fā)展的初始階段。
[0013]專利文獻1中描述的疲勞裂紋預防方法適用于疲勞裂紋沒有產(chǎn)生的階段，即使它被用在裂紋發(fā)展的初始階段，一般來說是沒有效果的。
[0014]因此，提供一種能夠解決上述問題的修復鋼結構疲勞裂紋的方法成為業(yè)內(nèi)急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于:提供一種修復鋼結構疲勞裂紋的方法，本發(fā)明在裂紋發(fā)展的初始階段也同樣適用，所以能簡單廉價的修復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方法能夠延緩疲勞裂紋的發(fā)展，使得鋼結構的疲勞壽命得到延長。
[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，而且很快就會到達鋼材的底面。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。基于這一點，本發(fā)明將同時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，提供一種修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其中，在形成有疲勞裂紋的開口的鋼結構的表面上、通過在疲勞裂紋的至少一側沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)︿摻Y構的表面施加錘擊處理，使得鋼結構的表面產(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構的表面上的開口閉合。
[0018]優(yōu)選地，可以分別在疲勞裂紋的兩側沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)︿摻Y構的表面施加錘擊處理。
[0019]優(yōu)選地，可以進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構的表面施加錘擊處理。
[0020]優(yōu)選地，可以進一步包括在對鋼結構的表面施加錘擊處理時采用弓|導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，可以將錘擊處理設定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應力大于設計的拉伸應力。
[0022]優(yōu)選地，可以將錘擊處理設定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應力大于鋼結構材料的屈服應力。
[0023]接下來將描述每一種上述問題的解決方法，必要時描述操作效果。
[0024]本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法把修復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，在此方法中，有一個在疲勞裂紋附近進行錘擊的過程，此過程中，通過在裂紋兩邊(至少一邊)沿著裂紋平行方向進行錘擊，在鋼材料表面產(chǎn)生塑性變形，使疲勞裂紋的開口閉合，并產(chǎn)生一個裂紋接觸面。
[0025]如果在產(chǎn)生疲勞裂紋的鋼材料上施加外力，疲勞裂紋四周就會有拉應力產(chǎn)生，此拉應力會使疲勞裂紋的內(nèi)側表面向兩邊分離，裂紋寬度就會擴展，裂紋就會朝著深度方向發(fā)展。根據(jù)本發(fā)明前面的論述，通過本發(fā)明的裂紋修復方法，疲勞裂紋開口關閉，會在裂紋內(nèi)表面形成裂紋接觸面，在裂紋接觸面會產(chǎn)生很大的殘余壓應力。因此，殘余壓應力會抵消有外力產(chǎn)生的拉應力，這樣疲勞裂紋就不容易開裂，阻止或延遲了疲勞裂紋的發(fā)展，延長了鋼結構的疲勞壽命。
[0026]如果只是在疲勞裂紋正上方實施錘擊，由于在使疲勞裂紋內(nèi)側表面關閉的方向上很難產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面就很難有效形成。本專利中，由于實施了疲勞裂紋附近錘擊過程，使得疲勞裂紋內(nèi)側表面關閉的方向上產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面有效形成。
[0027]由于本發(fā)明只是通過在鋼結構表面進行錘擊的方法，而且很適合在裂紋發(fā)展的初級階段，也不用考慮疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)域的鋼結構發(fā)展狀況。所以，本發(fā)明簡單價廉的進行了疲勞裂紋修復。
[0028]本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法把修復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，如果需要的話，作為前面提到的疲勞裂紋附近捶打過程的后續(xù)處理，通過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]通過疲勞裂紋附近捶打過程，形成裂紋接觸面，通過疲勞裂紋正上方捶打過程，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力，抵抗拉應力的效果就會更好。
[0030]通常我們會假設，經(jīng)過裂紋正上方的捶打過程，裂紋接觸面的接觸面積和接觸壓力都會增加，但是我們也應考慮到，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)過程，疲勞裂紋正上方錘擊必然有一定的作用。
[0032]當本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法把鋼材料焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋作為修復對象時，有一個疲勞裂紋附近捶打過程，以此在鋼材料表面產(chǎn)生塑性變形，關閉疲勞裂紋的開口，形成裂紋接觸面，此捶打過程應在不同于焊縫金屬面的一面沿著裂縫平行方向進行。
[0033]當本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法把鋼材料焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋作為修復對象時，在疲勞裂紋從焊縫焊趾區(qū)分離開之前對其進行修復時，應使用上述提到的本發(fā)明的焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋修復方法。
[0034]當本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法把鋼材料焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋作為修復對象時，在疲勞裂紋發(fā)展到從焊縫焊趾區(qū)分離開，并延伸到鋼板上時，對焊縫焊趾區(qū)的裂紋應使用上述提到的本發(fā)明的焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂紋修復方法，對延伸至鋼板部分的裂縫應使用上述提到的發(fā)生在鋼板上的疲勞裂紋的修復方法。
[0035]在疲勞裂紋從焊縫焊趾區(qū)分離開之前，我們用表示裂紋剛剛產(chǎn)生的情況，Nb表示裂紋進展了一小會兒，N10表示裂紋得到更進一步進展，并從焊縫焊趾區(qū)分離的情況。[0036]如果本發(fā)明被用來修復焊縫焊趾區(qū)的疲勞裂縫，通過簡單地錘擊就能得到簡單廉價的修復效果，提高角焊接點的耐久性，阻止或延遲疲勞裂紋的進一步發(fā)展，延長鋼結構的疲勞壽命。關于本發(fā)明的疲勞修復方法，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的時候再進行裂紋修復。
[0037]在本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法中，我們在實施錘擊的時候最好利用導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引裝置的話，即使萬一疲勞裂紋發(fā)生轉(zhuǎn)彎，我們也能保證錘擊是沿著裂紋的軌跡進行的。這樣，通過錘擊獲得的鋼結構表面的塑性變形就會很精確。
[0039]在本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法中，作用在上述裂紋接觸面的殘余壓應力最好大于設計拉應力。
[0040]如果作用在上述裂紋接觸面的殘余壓應力大于設計拉應力，那么在設計拉應力的作用下，疲勞裂紋就不會開裂。這樣，就能有效的阻止或延遲疲勞裂紋的進一步發(fā)展，延長鋼結構的疲勞壽命。
[0041]如果作用在上述裂紋接觸面的殘余壓應力大于鋼材料的屈服應力就更好了。
[0042]根據(jù)容許應力法的規(guī)定，容許拉應力占到屈服應力的1/1.7，實際作用在材料上的拉應力占容許拉應力的1/2多一點。因此，如果產(chǎn)生的壓縮殘余應力大于屈服應力的話，就能可靠的阻止疲勞裂紋的發(fā)展。
[0043]鋼結構通常被設計有一定的壽命，我們應該維護鋼結構的整體穩(wěn)定性。所以，我們沒有必要對某一部分修復的特別結實，結實到此部分超過了整個結構的壽命。我們要做的就是，在進行疲勞裂紋的修復時，能夠有效阻止疲勞裂紋的發(fā)展，使它的發(fā)展速度能夠適應結構的剩余壽命。從這一點來說，本發(fā)明可以看做與前面的開孔修復與加固定板修復方法一樣，是一種永久性的疲勞裂紋修復方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0045]圖1直觀描述了本發(fā)明的疲勞裂縫修復方法，(a)描述了鋼板頂部疲勞裂紋的產(chǎn)生，(b)展示了本發(fā)明中的第一實施方式，即疲勞裂紋附近錘擊過程的情況，(c)展示了本發(fā)明中的第二實施方式，即疲勞裂紋正上方錘擊過程的情況。
[0046]圖2直觀描述了本發(fā)明的疲勞裂縫修復方法，(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)明中的第三實施方式，即疲勞裂紋附近錘擊過程的情況，(c)展示了本發(fā)明中的第四實施方式，即疲勞裂紋正上方錘擊過程的情況。
[0047]圖3為一組橫截面圖，形象描述了本專利中疲勞裂紋修復方法產(chǎn)生的效果，(a)描述了鋼板頂部疲勞裂紋的產(chǎn)生，(b)表示當外力作用在(a)中鋼板的兩端時，在鋼板表面產(chǎn)生拉伸應力的情況，(c)表示經(jīng)過本發(fā)明中的裂紋修復方法后，產(chǎn)生了裂紋接觸面，從而關閉了(a)中鋼材料的疲勞裂紋，在此過程中，壓縮殘余應力產(chǎn)生，(d)顯示的是(c)中鋼材在兩端外力作用下，壓縮殘余應力減小的情況。
[0048]圖4的曲線圖描述了經(jīng)過本發(fā)明的疲勞裂紋修復方法后，延長疲勞壽命的效果。
[0049]圖5展示了本發(fā)明中的第五實施方式，描述了外表面角焊縫疲勞裂紋修復方法，正面角焊縫焊趾區(qū)。[0050]圖6為普通鋼材的應力應變曲線。[0051]圖7描述采用本發(fā)明的疲勞裂紋修復方法進行修復，形成裂紋接觸面的第一個例子，本圖顯示的是只進行裂紋正上方錘擊過程的有限元分析模型。
[0052]圖8為圖7中分析模型的應力分布圖。
[0053]圖9描述采用本發(fā)明的疲勞裂紋修復方法進行修復，形成裂紋接觸面的第二個例子，本圖顯示的是疲勞裂紋附近錘擊過程完成后再進行裂紋正上方錘擊過程的有限元分析模型。
[0054]圖10為圖9中分析模型的應力分布圖。(a)為裂紋附近錘擊過程第一步完成后的情況，(b)為裂紋附近錘擊過程第二步完成后的情況，(c)為裂紋正上方錘擊過程完成后的情況。
[0055]圖11為平板彎曲疲勞試驗機的側視圖。
[0056]圖12為本發(fā)明實例1中的板試件結構圖。
[0057]圖13為S-N曲線，描述本發(fā)明實例1中疲勞壽命的延長效果。
[0058]圖14為本發(fā)明實例2中外表面角焊縫試件結構圖。
[0059]圖15為S-N曲線，描述本發(fā)明實例2中疲勞壽命的延長效果。
[0060]圖16描述了現(xiàn)有技術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)生時的狀況，(b)為疲勞裂紋在正面角焊縫的焊趾處開始出現(xiàn)的情況，(c)為疲勞裂紋繼續(xù)發(fā)展，開始從焊縫焊趾區(qū)開分離，(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)有技術中的阻止角焊縫焊趾區(qū)疲勞裂紋產(chǎn)生的前處理技術，(a)為用超聲沖擊裝置對角焊縫焊趾區(qū)進行沖壓，(b)為經(jīng)過超聲沖壓處理后在鋼材料表面產(chǎn)生的塑性變形。
[0062]附圖標記說明
[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—導引裝置
[0069]9—導引固定裝置10—平板彎曲疲勞試驗機
[0070]10a—振動器11—板試件
[0071]11a—焊縫lib—凹口
[0072]12—應變片13—角焊縫測試對象
[0073]14—鋼結構組件15—超聲沖擊裝置
[0074]16—超聲波處理表面
【具體實施方式】
[0075]接下來參照附圖具體描述本發(fā)明的鋼結構疲勞裂紋修復方法。
[0076]<第一實例>[0077]圖1(a)和圖1(b)描述了本實例中疲勞裂紋修復方法的簡圖。其中圖1(a)為疲勞裂紋在鋼板上表面產(chǎn)生，圖1(b)為本實例中實施的疲勞裂紋附近錘擊過程。
[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，我們會進行修復來阻止疲勞裂紋的繼續(xù)發(fā)展。圖1(b)顯示了修復條件，在疲勞裂紋的兩側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，隨著錘擊軌跡L1和L2的出現(xiàn)，在鋼板1的表面會產(chǎn)生塑性變形，疲勞裂紋3的開口會閉合，裂紋接觸面3a形成。這個過程被稱為疲勞裂紋附近錘擊過程。裂紋接觸面3a只在裂紋上部形成接觸面，下部不太會接觸到。
[0080]在錘擊工具4的端部連著錘頭4a。在氣壓動力壓縮機(未顯示)的幫助下，錘頭4a高速振動，錘擊工具4變成一個高速振動的氣錘。
[0081]錘頭4a的形狀為一個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)本實例，疲勞裂縫3的開口閉合，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力。因此，殘余壓應力會抵消有外力產(chǎn)生的拉應力，這樣疲勞裂紋就不容易開裂，阻止或延遲了疲勞裂紋的發(fā)展，延長了鋼結構的疲勞壽命。
[0084]如果只是在疲勞裂紋正上方實施錘擊，由于在使疲勞裂紋內(nèi)側表面關閉的方向上很難產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面就很難有效形成。本本實例中，由于實施了疲勞裂紋附近錘擊過程，使得疲勞裂紋內(nèi)側表面關閉的方向上產(chǎn)生塑性變形，裂紋接觸面有效形成。
[0085]由于本實例中只是通過錘擊工具4在鋼結構表面進行錘擊，而且很適合在疲勞裂紋3發(fā)展的初級階段，也不用考慮疲勞裂紋3產(chǎn)生區(qū)域的鋼結構發(fā)展狀況。所以，本發(fā)明簡單價廉的進行了疲勞裂紋修復，而且只是在鋼板1的表面進行處理。
[0086]在本實例中，這個疲勞裂紋修復方法在裂縫3發(fā)展到一定程度時不適用。當疲勞裂紋進一步發(fā)展，裂紋寬度變得很大時，即使通過在鋼板表面施加塑性變形形成裂紋接觸面3a，考慮到此時塑性變形很大，對鋼板的截面性能會有不利影響。
[0087]在后面的實例中，我們采用與本實例同樣的錘擊工具4和錘頭4a。
[0088]<第二實例>
[0089]在本實例中，如圖1(c)所示，有一個疲勞裂紋正上方錘擊過程。在實施第一實例中的疲勞裂紋附近錘擊過程之后(如圖1(b)所示)，在疲勞裂紋正上方實施錘擊軌跡L3的錘擊，L3可使接觸面積與接觸壓力增大，錘擊軌跡L3的錘擊過程被稱為疲勞裂紋正上方錘擊過程。
[0090]因此，經(jīng)過疲勞裂紋正上方錘擊過程之后，已經(jīng)形成的疲勞裂紋接觸面3a不會再開裂。在這里要強調(diào)一點，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力，抵抗拉應力的效果也變得更好。
[0092]<第三實例>[0093]圖2(a)和圖2(b)描述了本實例中疲勞裂紋修復方法的簡圖。其中圖2(a)為疲勞裂紋在角焊縫焊趾區(qū)產(chǎn)生，圖2(b)為本實例中實施的疲勞裂紋附近錘擊過程。
[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，對其進行修復。圖2(b)顯示了修復情況，先在疲勞裂紋3的一側(非角焊縫金屬2的一側)進行錘擊軌跡L1的錘擊。在錘擊的時候，錘頭4a與鋼板的接觸面應保證錘擊軌跡L1不會落在裂紋3的上方。
[0095]接下來，沿著錘擊軌跡L1進行錘擊，在鋼板1的表面產(chǎn)生塑性變形，疲勞裂紋3的開口關閉，疲勞裂紋接觸面3a形成。這個過程被稱為疲勞裂紋附近錘擊過程。本實例的實施效果與第一個實例一樣。
[0096]〈第四實例〉
[0097]如圖2(c)所示，顯示的是本實例中裂紋正上方錘擊過程。經(jīng)過第三實例中圖2(b)所示的疲勞裂紋附近錘擊錘擊過程后，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進行錘擊的過程被稱為疲勞裂紋正上方錘擊過程。本實例的實施效果與第2個實例一樣。
[0098]在上述描述的1-4個實例中，當在裂紋接觸面3a中產(chǎn)生壓縮殘余應力時，能夠抵消作用在此處的拉伸應力，這樣就能阻止或延遲疲勞裂紋3的開裂，鋼結構的疲勞壽命就會增大。
[0099]圖3顯示的是本方法實施效果的截面圖，圖3(a)表示裂紋在鋼板1上產(chǎn)生。圖3(b)表示當外力如拉應力和彎矩作用在圖3(a)中鋼板1兩端，疲勞裂紋3發(fā)展，鋼板1表面產(chǎn)生拉應力。圖3(c)表示的是在圖3(a)中鋼板1上實施裂紋附近錘擊過程以及裂紋正上方錘擊過程，此過程中裂縫接觸表面3a形成，殘余壓應力產(chǎn)生。圖3(d)表示的是壓縮殘余壓應力抵抗外力的表現(xiàn)，隨著外力的作用，殘余壓應力減少。
[0100]在圖3(b)中，如果疲勞裂紋沒有修復的話，如果很大的拉應力作用在鋼板表面的話，拉力會朝著增大裂紋寬度的方向作用，如果是反復循環(huán)荷載的話，裂紋就會發(fā)展。
[0101]另一方面，如果像圖3(c)中所示對疲勞裂紋進行修補的話，裂紋開口關閉，裂紋接觸面3a形成，壓縮殘余應力在3a中產(chǎn)生。在這種狀態(tài)下，如果有很大的拉伸應力作用在鋼板1的表面，拉應力會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)生的壓縮殘余應力大于拉應力的話，壓縮殘余應力會抵消拉應力，疲勞裂紋3就不會開裂。所以當循環(huán)荷載作用時，就會阻止或延遲疲勞裂紋3的開裂。
[0102]疲勞裂紋3的停止或延遲可以看成如下的過程。
[0103]在應用疲勞力學的裂縫發(fā)展模型中，應力強度因子幅△!(變成疲勞裂紋擴展速率的一個參數(shù)。疲勞裂紋擴展速率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)展方向的長度，N表示應力重復周期的數(shù)量，c和m為材料常數(shù)，m在鋼材料中是一個接近3的值。AKth是一個裂紋增長率的臨界值，在鋼材料中它的值為2.5(MPaXm1/2)。應力強度因子幅Λ K由方程2表示。
[0106]AK=F.Δσ.VOraO——式 2
[0107]上式中，應力幅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，通過求解運動微分方程，能夠求得疲勞裂紋擴展壽命Np (使裂縫達到裂縫長度a的裂縫循環(huán)次數(shù)N)。這是一般斷裂力學分析疲勞裂紋擴展壽命的方法。如果△!(變小，疲勞裂紋擴展速率變小，疲勞裂紋擴展壽命Np增大。
[0109]圖3(a)和圖3(c)中的疲勞裂紋擴展壽命Np就用上面的方程式進行比較。
[0110]圖3(a)中的疲勞裂紋3是一個邊裂，我們可以把裂紋長度看成從鋼板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是一個內(nèi)部裂紋，作用外力的時候裂縫接觸面3a不開裂，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度。我們可以假設內(nèi)部裂紋長度為原來的一半。因此，在比較疲勞裂縫擴展壽命Np的時候，把裂縫長度定為a/2。
[0111]圖3(c)中疲勞裂紋3的應力擴展系數(shù)幅ΛΚ由方程式3來表示。
【權利要求】
1.一種修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其特征在于，在形成有疲勞裂紋的開口的鋼結構的表面上、通過在所述疲勞裂紋的至少一側沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)λ鲣摻Y構的表面施加錘擊處理，使得所述鋼結構的表面產(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構的表面上的所述開口閉合。
2.如權利要求1所述的修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其特征在于，分別在所述疲勞裂紋的兩側沿著疲勞裂紋延伸的方向?qū)λ鲣摻Y構的表面施加錘擊處理。
3.如權利要求1或2所述的修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其特征在于，進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構的表面施加錘擊處理。
4.如權利要求1或2所述的修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其特征在于，進一步包括在對所述鋼結構的表面施加錘擊處理時采用引導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.如權利要求1或2所述的修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其特征在于，將錘擊處理設定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應力大于設計的拉伸應力。
6.如權利要求1或2所述的修復鋼結構疲勞裂紋的方法，其特征在于，將錘擊處理設定為使得在形成疲勞裂紋的表面上產(chǎn)生的殘余應力大于鋼結構材料的屈服應力。
【文檔編號】B23P6/04GK103624479SQ201310020505
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年1月21日 優(yōu)先權日:2013年1月21日
【發(fā)明者】劉云飛, 翟傳明, 赫傳凱, 段艷芳 申請人:中電投工程研究檢測評定中心