钢箱梁横隔板焊缝疲劳性能的锤击效果研究

王秋东 吉伯海 傅中秋 袁周致远

摘 要：针对钢箱梁横隔板与U肋连接焊缝疲劳细节，选取了三个局部试件作为研究对象，采用锤击装置对试件弧形缺口处焊缝的焊趾部位进行锤击处理，并采用疲劳试验机对处理后试件进行疲劳加载，对比分析试件的疲劳裂纹扩展情况、疲劳应力幅和疲劳强度的变化情况。同时，建立了局部锤击有限元模型，分析锤击部位的残余应力、塑性变形等，并结合疲劳试验结果，从疲劳裂纹萌生寿命、疲劳强度、锤击残余应力分布等角度，对锤击效果进行了评价。研究结果表明，锤击处理可有效提高横隔板与U肋连接焊缝的疲劳裂纹萌生寿命及疲劳强度；
锤击处理可产生明显的塑性变形及残余应力，且两者均以焊趾为中心近似呈圆弧状分布；
锤击深度为0.2mm时，锤击残余压应力沿板厚、垂直焊缝方向的分布范围均为3mm左右，从而改善构件的疲劳性能。

关键词：钢箱梁；
疲劳性能；
锤击；
裂纹萌生寿命；
残余压应力

中图分类号：
U44332 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）06-0015-06

Abstract：Based on the fatigue details of diaphragm-to-rib weld joints in steel box girder， three local specimens were selected as the objects. Hammer peening equipment was adopted to conduct peening processing in weld toe nearby the arc gap of specimens and fatigue tests of specimens were conducted by fatigue test machine afterwards. The propagation of fatigue cracks， fatigue stress amplitude and fatigue resistance were compared and analyzed after fatigue test. Meanwhile， finite element model of local hammer peening was established to analyze the residual stress and plastic deformation in the peening area. Combined with the fatigue test results， the peening effects were evaluated from the point of initiation life of fatigue cracks， fatigue resistance of specimens and distribution of residual stress. The analysis results show that the cracks initiation life and fatigue resistance of diaphragm-to-rib weld joint could be enhanced effectively. Obvious plastic deformation and residual stress could be produced by hammer peening and both be distributed as arc shape approximately center in the weld toe. The distribution range of residual compressive stress along the thickness of plate and vertical to the weld were both around 3mm at the hammer depth of 0.2mm， which could help to improve the fatigue performance of specimens.

Key words：steel box girder；

fatigue performance；

hammer peening；

cracks initiation life；

residual compressive stress

扁平流线型钢箱梁因具有自重轻、稳定性好、承载力高、制作施工便捷等优点，在大跨径缆索体系桥梁中得到了广泛运用[1-2]。但是钢箱梁构造复杂，各构件多采用焊接连接，焊接过程中易产生较大的残余应力，加上其他不利因素的影响，在使用过程中难免会产生损伤[3-4]。随着桥梁服役年限的增加，钢箱梁逐渐产生各种病害，其中疲劳病害尤为突出[5-6]。疲劳裂纹不可避免，检测、维修困难，且在维护过程中易产生二次缺陷，造成新的損伤[7]。因此，若能在设计、制作阶段采取有效措施改善易疲劳部位的局部应力状态，提高构件的疲劳强度，对桥梁的健康运营具有重要意义。

现阶段改善焊接接头疲劳强度的措施主要有改善焊缝形态、改善残余应力和改善结构受力三种[8-9]，具体的处理方法有磨削法、超声锤击法、CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics）加固法等。焊趾磨削法可增大焊趾处的过渡圆角，消除焊缝表面夹渣，有效降低应力集中，提高焊接接头疲劳性能[10-11]。超声锤击法采用超声波作为动力源，对焊趾及附近区域进行高频冲击，可有效改善焊缝与母材过渡的几何形状并产生一定程度的残余压应力，提高焊接接头的疲劳强度[12]。CFRP加固法可有效改善结构的受力状态，有效降低裂纹尖端的应力强度因子，改善焊接接头的疲劳性能[13-14]。其他一些处理措施，如激光冲击法、喷丸法等，在一定程度上也能够改善焊接接头的疲劳性能[15-16]。尽管上述方法虽然能起到一定的改善效果，但由于设备、操作环境、技术条件等方面的限制，大多应用于实验室研究，而实桥应用可行性较差。

锤击法是近年来新提出的一种处理方法，其基本原理与超声锤击法类似[17]，且具有设备轻巧、操作方便等特点，具有广泛的应用前景。国内外目前针对锤击法的研究主要集中于该方法对已开裂构件的修复效果[18-19]，而对于未开裂构件疲劳性能的改善尚待进一步探讨。本研究针对钢箱梁横隔板与U肋连接焊缝疲劳细节，选取了三个局部试件作为研究对象，对试件易疲劳部位进行锤击处理并进行疲劳加载，结合有限元计算结果，对锤击处理后构件的疲劳性能进行了评价。

1 试验概况

1.1 试件

试验采用钢箱梁横隔板与U肋局部试件， 材料为Q345qD桥梁用钢， 焊接采用CO2气体保护焊， 并在焊接完成后进行超声波探伤（Ⅰ级）检测。

试件几何尺寸如图1所示。

试验选取了3个试件，记为S-HP-1、S-HP-2、S-NONE-3，其中S-HP-1和S-HP-2为锤击处理试件，S-NONE-3为对比试件，未作任何处理。

1.2 試件处理及加载

由于横隔板与U肋试件的弧形缺口部位为易疲劳部位，且疲劳裂纹易萌生于弧形缺口处对接焊缝部位，因此采用锤击装置对试件S-HP-1、S-HP-2的弧形缺口对接焊缝及附近区域进行锤击处理，直至锤击部位产生明显的塑性变形。横隔板弧形缺口位置应力状态复杂，测点布置采用名义应力疲劳评估法，测点距离焊趾距离为15t（t为板厚）。由于测点部位主应力方向未知，因此采用三向应变片测量测点的应变状态，并通过计算求得主应变。本试验在U肋两侧连接焊缝焊趾附近对称布置了三向应变片，并采用动态应变仪记录加载过程中测点的应变变化情况。

采用振动型疲劳试验机对锤击后试件进行疲劳加载，加载时调整45°应变片的应变至485μ.ε，即控制加载应力幅为100MPa，此时加载频率为932Hz。试验过程中采用动态气泡指示法跟踪疲劳裂纹扩展情况，即在裂纹位置喷涂少量的除锈剂，此时裂纹由于开口的反复张开闭合，在裂纹表面会产生明显的气泡，因而可根据气泡的位置判断并记录裂纹扩展情况。

2 试验结果分析

2.1 疲劳裂纹扩展情况

试验过程中S-HP-1的加载循环次数达到1 000万次时，较长的疲劳裂纹扩展至71mm，因此继续加载至裂纹扩展长度达到100mm；
S-HP-2在加载循环次数达到1 000万次时仍未开裂，停止加载；
S-NONE-3在加载循环次数为550万次左右时，单侧疲劳裂纹长度达到100mm，停止加载。S-HP-1、S-NONE-3的疲劳裂纹均萌生于弧形缺口处的横隔板与U肋连接焊缝部位，并大致沿45°向顶板一侧扩展。S-HP-1、S-NONE-3的疲劳裂纹扩展长度变化情况如图2所示。锤击处理试件S-HP-1的疲劳裂纹萌生寿命约为650万次，且试验过程中S-HP-2未萌生裂纹，而未处理 试件S-NONE-3的裂纹萌生寿命仅为100万次左右，表明锤击处理可有效提高疲劳裂纹的萌生寿命。U肋两侧疲劳裂纹沿横隔板呈非对称扩展，这是由于受到试件加工、疲劳加载方式 、U肋两侧裂纹长度不一致等因素的影响，U肋两侧裂纹尖端的应力强度因子难以保持一致，从而导致U肋两侧的扩展存在差别。若沿裂纹扩展路径对试件表面进行锤击处理，由于锤击残余应力难以保持完全一致，同时受到上述因素的影响，U肋两侧的疲劳裂纹仍会为非对称扩展。此外，加载初期裂纹扩展较慢，随着加载循环次数的增加，裂纹扩展速率逐渐增加并趋于稳定。

2.2 测点应力幅变化

试验过程中S-HP-2由于未萌生疲劳裂纹，其应力幅无明显变化，未加入对比；
试件S-HP-1U肋右侧测点的应变片遭到拉扯破坏， 数据失效。

对S-HP-1、S-NONE-3应力测点有效数据进行处理，并利用公式（1）求得测点的最大主应力，S-HP-1、S-NONE-3的最大主应力变化曲线如图3所示。疲劳加载初期两试件的最大主应力值均位于100～110MPa之间，且基本保持恒定。随着疲劳裂纹的扩展，测点应力幅逐渐增加，当疲劳裂纹扩展至应变片附近时，测点的最大主应力达到峰值，S-HP-1 U肋左侧、S-NONE-3 U肋左侧和S-NONE-3 U肋右侧的最大主应力峰值分别为159MPa、162MPa、172MPa，较初始最大主应力分别提升了约49%、46%和69%，即裂纹尖端附近区域存在严重的应力集中现象。当裂纹扩展至应变片下方时，由于裂纹开口的张合导致应变片与试件表面部分脱离，此时应变片测得的应力迅速降低，测点失效。

2.3 疲劳强度

由于横隔板与U肋试件的疲劳裂纹为穿透型裂纹，因此偏保守地以裂纹萌生寿命作为疲劳强度指标，并结合前期相同试件的疲劳试验结果进行对比分析，如图4所示。

未处理试件S-NONE-3的试验数据与前期疲劳试验结果较为接近，而锤击试件S-HP-1、S-HP-2的试验数据均落在S-NONE-3与前期疲劳试验数据点的右侧，表明锤击可在一定程度上提高试件横隔板与U肋焊接接头的疲劳强度，相应的疲劳裂纹萌生寿命也得到了有效的提高。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

采用ANSYS有限元软件建立横隔板与U肋接头锤击模型，分析锤击后残余应力的分布情况。试件模型按照实际尺寸建立，并采用SOLID185单元进行网格划分，网格尺寸为1m×1m。锤头表面设置目标单元TARGE170，待锤击区域表面设置接触单元CONTA174，法向接触刚度设为10。试件模型的材料屈服强度为345MPa，弹性模量为206kPa，泊松比取03，材料模型采用双线性随动强化模型（BKIN）。由于精确模拟锤击过程比较复杂，本模型建立了简化的锤击模型，即利用刚体接触分析模拟锤击过程。锤头位移的方向根据实际锤击操作确定，与顶板平面夹角为60°。采用热硅胶对锤击部位进行倒模并剖切断面，测得塑性区深度在02～03mm之间，因此本模型的锤头位移设为04mm，此时锤头压下时在板厚方向的位移为02mm，与实际塑性区深度保持一致。32 应力云图

锤击完成后锤击部位的米塞斯等效应力分布如图5所示。锤击完成后锤击部位可观察到弧形凹坑，且在锤击区域形成了明显的残余应力区，残余应力大致以焊趾为中心呈圆弧状分布。由图5（a），接近锤击区域表面位置的残余应力最大，接近锤击区域的米塞斯等效应力达到了352MPa，超过了钢材的屈服强度，表明该区域材料已经发生了屈服，锤击部位产生了一定的塑性变形。由图5（b）、5（c）可知，锤击位置下方一定深度范围内的第一、第三主应力均为负值，表明锤击可在焊趾位置产生压应力区，压应力区沿板厚度方向呈弧形分布。

3.3 锤击残余应力

提取锤击中心位置沿板厚方向的米塞斯等效应力（SEQV）、第一主应力（S1）及第三主应力（S3），如图6所示。

由圖6可知，等效应力曲线在7mm处趋向于零，表明锤击产生的残余应力影响深度约为7mm。沿板厚方向第一主应力既有拉应力也有压应力，而第三主应力均为压应力，且沿板厚方向4mm范围内的第一、第三主应力均为负值，由材料力学主应力计算式可知该范围内的应力均为负值，即该区域处于三向受压状态，表明锤击深度为03mm时产生的压应力区深度约为4mm。

提取垂直于焊缝方向的应力，分析残余应力沿垂直焊缝方向的分布情况。由于本模型中米塞斯等效应力最大值位于板厚方向1mm处，因此设置两条应力提取路径，即位于横隔板表面、板厚方向1mm处。垂直焊缝方向的应力变化如图7所示。焊趾处的米塞斯等效应力最大，沿垂直焊缝方向呈现出逐渐降低的趋势。垂直于焊缝方向的第一主应力既有拉应力也有压应力，第三主应力均为压应力，且垂直于焊缝方向3mm范围内的第一、三主应力均为负值，即锤击产生的垂直于焊缝方向的压应力区长度约为3mm。此外，图7（a）中应力曲线的变化趋势在14mm处趋向于零，而疲劳试验中测点位置位于垂直焊缝方向15mm处，表明锤击产生的残余应力对测点几乎无影响。

3.4 焊缝塑性变形

图8为焊趾锤击位置的等效塑性应变（EPPLEQV）分布情况。由图8（a）可知，等效塑性应变分布在横隔板表面以下3mm左右的区域内，锤击表面位置的等效塑性应变最大，为0161 7μ.ε，并沿横隔板厚度方向迅速减小，在距离表面3mm处几乎为零。由图8（b）可以看出，横隔板表面接近垂直区域等效塑性应变较大，且在距离焊趾约1mm处等效塑性应变达到最大值，为0189 32μ.ε，并沿垂直于焊缝方向迅速减小，在距离焊趾约3mm处几乎为零，整体变化趋势与厚度方向的变化趋势基本一致。

4 结论

1）针对横隔板与U肋连接焊缝，锤击处理可有效提高疲劳裂纹的萌生寿命及试件的疲劳强度。而由于锤击位置主要集中于焊趾部位，锤击处理试件与未处理试件的裂纹扩展情况基本一致。

2）锤击处理可在焊趾区域产生明显的塑性变形及残余应力，且残余应力、塑性变形以焊趾为中心近似呈圆弧状分布。

3）锤击深度为02mm时，锤击处理可在焊趾附近引入明显的残余压应力，且残余压应力沿板厚、垂直焊缝方向的分布范围均为3mm左右，从而有效改善构件的疲劳性能。

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（责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）