陳宏意，蔣文陽

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建經(jīng)貿(mào)學(xué)校，福建 泉州 362000)

鋼結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的承載結(jié)構(gòu)，占整機(jī)重量的70%以上，在制造、加工缺陷以及長期承載等多種因素作用下，起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)裂紋，給生產(chǎn)造成一系列的不良后果.據(jù)統(tǒng)計(jì)，裂紋是起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)最主要的故障之一，其比例達(dá)到80%以上[1].為了減小或緩和裂紋對(duì)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的破壞，需要有效的裂紋維修方法和技術(shù).目前應(yīng)用較多的裂紋修復(fù)方法有在裂紋尖端制作止裂孔、在裂紋處補(bǔ)焊、使用鋼板補(bǔ)強(qiáng)等.吉伯海等[2]對(duì)鉆孔止裂打孔參數(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析，提出了孔徑與板厚之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；袁周致遠(yuǎn)等[3]研究了不同止裂孔形狀的止裂性能，提出了一種結(jié)合直線與圓曲線的腰圓形止裂孔（近跑道形狀）；孔璞萍等[4]研究了采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）加固止裂孔的方法對(duì)裂紋進(jìn)行復(fù)合修復(fù)的效果；Colombi 等[5]通過試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和分析研究了CFRP 加固鋼板的疲勞裂紋增長情況；Chen[6]采用推理計(jì)算方法確定了海洋和海上結(jié)構(gòu)止裂孔的合適尺寸，并進(jìn)一步分析了潛在極端海況、裂紋長度和環(huán)境安全系數(shù)對(duì)止裂孔剩余服役時(shí)間的影響.但在實(shí)際工作中，維修人員大多憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)裂紋進(jìn)行維修，缺乏理論指導(dǎo)，效果不理想，具體表現(xiàn)在裂紋-維修-裂紋的循環(huán)在不斷進(jìn)行之中.本文對(duì)鉆孔止裂法、裂紋焊合法、割補(bǔ)法和附加鋼板補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)法四種起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復(fù)工藝進(jìn)行介紹，并對(duì)鉆孔止裂法和附加鋼板補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)法進(jìn)行有限元數(shù)值模擬研究.

1 裂紋的穩(wěn)態(tài)維修

含有長為2a 穿透裂紋的無限大平板如圖1，在二端無窮遠(yuǎn)處承受垂直于裂紋面的拉應(yīng)力σ 作用下，其裂紋端部區(qū)域(r→0)的應(yīng)力分量可根據(jù)彈性力學(xué)理論[7]求解如式1.

圖1 帶中心貫穿裂紋的無限大平板

由式（1）可知，當(dāng)r→0 時(shí)，裂紋尖端附近的應(yīng)力將趨于無窮大，稱為裂紋尖端的奇異性.應(yīng)力強(qiáng)度因子K 與應(yīng)力σ 及裂紋長度a 有關(guān)，隨應(yīng)力的增大（或裂紋擴(kuò)展），裂紋尖端的K 值將增大.當(dāng)K 值增大到一個(gè)臨界值Kcr時(shí)，裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展（即構(gòu)件發(fā)生斷裂），材料的斷裂韌性Kc即為最小的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子.

由疲勞引起的金屬裂紋擴(kuò)展大致可以分為亞臨界擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展兩個(gè)階段：亞臨界擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率低；失穩(wěn)擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展速率很高.裂紋在亞臨界擴(kuò)展階段如果不加修復(fù)，一旦應(yīng)力強(qiáng)度因子K 接近Kc，裂紋就會(huì)進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展期，結(jié)構(gòu)可能迅速失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂.由應(yīng)力強(qiáng)度因子定義公式可知控制材料或結(jié)構(gòu)斷裂的三個(gè)主要因素為裂紋尺寸、作用應(yīng)力和材料的斷裂韌性，裂紋的修復(fù)即從這三個(gè)因素著手.裂紋尺寸越大，作用應(yīng)力越高，發(fā)生斷裂的可能越大；材料的斷裂韌性越高，抵抗斷裂破壞的能力越強(qiáng)，發(fā)生斷裂的可能越小.

2 裂紋修復(fù)方法

對(duì)于起重機(jī)受拉力較大且復(fù)雜的重要鋼構(gòu)件，如果出現(xiàn)裂紋，很可能會(huì)快速擴(kuò)展直至破壞，所以針對(duì)重點(diǎn)部位的裂紋，一旦在日常檢查中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù).

2.1 鉆孔止裂法

在構(gòu)件出現(xiàn)裂紋時(shí)，可在距離裂紋兩端0.5t～1.0t 處各進(jìn)行鉆孔止裂[8]（t 為原鋼板的厚度），止裂孔的直徑一般為1.0t，如圖2.為避免孔洞表面初始缺陷引起新的裂紋擴(kuò)展源，必要時(shí)還需進(jìn)行鉸孔處理.

圖2 裂紋兩端鉆止裂孔

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，在外載荷的作用下，裂紋尖端產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中從而形成一個(gè)塑性區(qū).隨著塑性變形不斷積累，塑性區(qū)出現(xiàn)一些微裂紋和微孔，從而在裂尖部位形成損傷區(qū)，導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展.通過在裂紋尖端位置鉆孔，能夠有效去除裂紋尖端的塑性區(qū)，改善因局部拉應(yīng)力作用在裂尖產(chǎn)生的應(yīng)力集中，起到延緩裂紋擴(kuò)展的作用[3].如果起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)件上的裂紋由于某種原因不能及時(shí)修復(fù)，如由于無備用配件問題無法予以立即更換，考慮生產(chǎn)進(jìn)度的需要不能長時(shí)間停機(jī)修復(fù)，或更換受損結(jié)構(gòu)件在經(jīng)濟(jì)預(yù)算上費(fèi)用過高等，臨時(shí)在裂紋兩端鉆孔止裂，可有效延緩裂紋擴(kuò)展的趨勢(shì)，待條件具備時(shí)再進(jìn)行修復(fù).

2.2 裂紋焊合法

裂紋焊合法較適用于長度較長的單條裂紋修復(fù).首先嚴(yán)格按照焊接工藝對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行清洗，采用碳弧氣刨消除裂紋及其兩端各20～50 mm 長的焊縫或者母材，并用手持砂輪或其他設(shè)備打磨坡口，對(duì)裂紋缺陷部位進(jìn)行預(yù)熱處理（100～150 ℃），采用與起重機(jī)原鋼結(jié)構(gòu)件材質(zhì)相匹配的焊條（工程上一般采用低氫型或超低氫型焊條）對(duì)裂紋進(jìn)行焊合，盡可能用小直徑焊條以分段分層逆向焊施焊，每一焊道焊完后立即進(jìn)行錘擊，焊接順序[9]如圖3.裂紋焊接后，要對(duì)焊縫的焊接質(zhì)量進(jìn)行查驗(yàn)，如無損探傷檢測等，避免由于焊接缺陷引起新的裂紋缺陷.對(duì)于主要受力結(jié)構(gòu)件或較厚的結(jié)構(gòu)件，缺陷部位焊接后立即進(jìn)行退火處理.

圖3 焊接順序

2.3 割補(bǔ)法

割補(bǔ)修復(fù)法是將原結(jié)構(gòu)件存在裂紋缺陷的部位切除，在相應(yīng)切除位置焊接嵌入一塊新的鋼板（一般與原母材同材質(zhì)）進(jìn)行替換，割補(bǔ)修復(fù)方法較適用于裂紋呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂開或分叉裂紋區(qū).裂紋割補(bǔ)修復(fù)法如圖4.對(duì)結(jié)構(gòu)件上裂紋缺陷的部位進(jìn)行切割時(shí)，一般切成帶圓角矩形形狀的孔洞，切除的范圍由裂紋缺陷矩形區(qū)各邊向外延伸100 mm 左右，如圖4(a)；用同等厚度的嵌板嵌入切除部位，嵌入板的邊緣與切除孔邊留有2～4 mm 的間隙，并將其邊緣加工成坡口形式；將孔口四角區(qū)域預(yù)熱至100～150 ℃，并按圖4(b)所示順序采用分段分層逆向焊法施焊[8,9].焊接完應(yīng)檢查焊縫質(zhì)量，并打磨焊縫使其與原構(gòu)件表面齊平.

圖4 裂紋割補(bǔ)修復(fù)法

2.4 附加鋼板補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)法

附加鋼板補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)法是對(duì)需要修復(fù)的部位加裝相應(yīng)的鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，連接方式可為焊接或高強(qiáng)度螺栓，如圖5.利用補(bǔ)強(qiáng)鋼板能起到轉(zhuǎn)移傳遞載荷的作用，本來主要作用在裂紋區(qū)域的載荷大部分由附加補(bǔ)強(qiáng)鋼板承受，使得裂紋區(qū)域應(yīng)力水平大大減小，裂紋停止擴(kuò)展.工程應(yīng)用中宜采用雙層蓋板夾住裂紋部位，避免連接部位出現(xiàn)附加彎矩和由此引起的附加應(yīng)力，附加補(bǔ)強(qiáng)鋼板的板厚一般與原結(jié)構(gòu)件相同.在對(duì)附加鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)時(shí)，為有效遏制疲勞裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，疲勞裂紋的兩端也要采用鉆止裂孔措施.附加鋼板用焊接連接時(shí)，焊腳尺寸等于板厚，附加鋼板的尺寸和焊接順序可參照割補(bǔ)法.當(dāng)用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)，裂紋的每側(cè)用雙排螺栓，蓋板寬度以能布置螺栓為宜，蓋板長度每邊應(yīng)超出裂紋端150 mm.

圖5 裂紋附加鋼板修補(bǔ)法

3 基于有限元的裂紋修復(fù)數(shù)值模擬

裂紋修復(fù)加固方法采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過查看其應(yīng)力集中情況及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，對(duì)比裂紋修復(fù)效果.采用的模型為500 mm×400 mm×10 mm 鋼板，鋼板左端約束，右端施加100 MPa 的均布載荷，材質(zhì)為Q235，彈性模量E=0.21 TPa，泊松比μ=0.3，斷裂韌性[10]KIC=130.523 MPa·m1/2=4 127.50 MPa·mm1/2.

3.1 裂紋數(shù)值模擬

3.1.1 單條裂紋數(shù)值模擬[11]在鋼板中部垂直載荷方向預(yù)制長度為10 mm 的貫穿裂紋，裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中和應(yīng)力奇異性，等效應(yīng)力最大值約為447 MPa，計(jì)算得出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子約為403 MPa·mm1/2，如圖6 和表1.

圖6 10 mm 裂紋數(shù)值模擬

表1 裂紋尖端應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子

3.1.2 分叉長裂紋數(shù)值模擬 在鋼板中部垂直載荷方向預(yù)制長度為80 mm 的主裂紋，兩條分叉裂紋長度為30 mm，與主裂紋分別成45°夾角，分叉位置距離主裂紋中心10 mm，主裂紋尖端等效應(yīng)力約為935 MPa，主裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子約為1 181 MPa·mm1/2，分叉裂紋尖端等效應(yīng)力約為339 MPa，分叉裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子約為212 MPa·mm1/2，如圖7.

圖7 分叉長裂紋數(shù)值模擬

3.2 鉆孔止裂法數(shù)值模擬

按2.1 節(jié)的鉆孔止裂法，在10 mm 長度裂紋兩端距裂紋尖端10 mm 處各鉆一個(gè)直徑為10 mm 的止裂孔，鉆孔止裂法等效應(yīng)力云圖如圖8.裂紋擴(kuò)展到止裂孔后的等效應(yīng)力最大值約為580 MPa；若沒有止裂孔，相當(dāng)于裂紋此時(shí)擴(kuò)展到長度為50 mm，在50 mm 裂紋尖端等效應(yīng)力最大值約為717 MPa，其裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子值約為911 MPa·mm1/2.對(duì)比圖8（a）和圖8（b）可知，止裂孔顯著降低了裂紋尖端的應(yīng)力值，當(dāng)裂紋擴(kuò)張到止裂孔時(shí)，止裂孔能有效阻止裂紋擴(kuò)張.

圖8 鉆孔止裂法等效應(yīng)力云圖

3.3 附加鋼板修補(bǔ)法數(shù)值模擬

按2.4 節(jié)的附加鋼板修補(bǔ)法，將尺寸為200 mm×200 mm×10 mm 的鋼板分別焊接蓋住3.1 節(jié)的10 mm裂紋和分叉長裂紋區(qū)域.附加鋼板修補(bǔ)法數(shù)值模擬如圖9.經(jīng)附加鋼板修復(fù)后，裂紋區(qū)域的等效應(yīng)力顯著減小.如表1 所示，對(duì)于10 mm 單條裂紋，其裂紋尖端的等效應(yīng)力降至243 MPa，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子值降至219 MPa·mm1/2；對(duì)于分叉長裂紋，其主裂紋尖端的等效應(yīng)力降至489 MPa，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子值降至580 MPa·mm1/2，分叉裂紋尖端的等效應(yīng)力降至157 MPa，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子值降至126 MPa·mm1/2，均明顯低于3.1 節(jié)裂紋未修復(fù)時(shí)，達(dá)到了修復(fù)效果.

圖9 10 mm 單條裂紋附加鋼板修補(bǔ)法數(shù)值模擬

4 結(jié)語

本文在裂紋穩(wěn)態(tài)維修相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，介紹了鉆孔止裂法、裂紋焊合法、割補(bǔ)法和附加鋼板補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)法四種起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復(fù)工藝，并對(duì)裂紋兩端鉆孔止裂和采用鋼板補(bǔ)強(qiáng)兩種方法采用有限元數(shù)值模擬驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明：修復(fù)后的裂紋尖端應(yīng)力集中和應(yīng)力強(qiáng)度因子都有所下降，其中采用鋼板補(bǔ)強(qiáng)對(duì)裂紋修復(fù)具有較好的效果.在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以利用有限元技術(shù)對(duì)備選修復(fù)方法的修復(fù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬，選用最優(yōu)方案.