雙高強螺栓止裂法對疲勞性能的影響研究*

張運來，孟祥峰，張 行

(長安大學，陜西 西安 710064)

0 引 言

鋼結構橋梁具有結構輕盈、承載力高、施工便利等優勢，近年來更是成為大跨度橋梁的首選形式[1]。橋梁在服役期間，由于車流和風力的作用，處于交變載荷下工作，即橋梁在疲勞載荷下服役[2]。金屬構件在服役過程中承受疲勞載荷，最終會導致疲勞破壞。對于鋼結構橋梁，立刻更換新部件往往會耗費大量的時間，影響橋梁結構的正常使用，因此，研究人員提出了多種方法來延長含裂紋構件的疲勞壽命。鉆止裂孔是含裂紋構件疲勞延壽的常用方法，通過改變應力分布及裂尖鈍化的方式達到延長使用壽命的目的。但是傳統的鉆孔止裂法僅僅只是去除應力高度集中的裂紋尖端，若繼續施加較大的應力幅，孔邊將產生新的應力集中點，進而出現裂紋再擴展，無法解決根本問題，只能作為一種臨時措施。日本學者提出了高強螺栓止裂孔法[3]，它是將螺栓施擰對止裂孔邊產生擠壓力，使螺栓墊板與孔邊產生較大摩擦力從而減少循環荷載的應力幅，從而改善止裂效果。

文獻[4]探究了高強度螺栓止裂法對鋼板疲勞受力的影響，基于帶裂紋鋼板的有限元模型探究孔徑和螺栓預緊力參數對修復后鋼板的應力分布和止裂機理的影響。隨后對修復后的預裂鋼板進行疲勞試驗，評價了不同修復方法下的結構疲勞壽命。認為采用止裂孔法和高強螺栓止裂法均能延長損傷鋼板的疲勞壽命，但高強螺栓止裂孔修復效率更優。

目前研究大多集中在單一螺栓止裂效果，對于雙螺栓止裂或多螺栓止裂研究較少，因此本文采用雙螺栓止裂，通過在裂縫尖端和路徑上分別打孔并加入高強度螺栓，探究其對含裂紋鋼板疲勞性能的影響，并闡明其止裂機理。

1 有限元模型建立

有限元模型采用圖1中的620 mm×230 mm的啞鈴型板件(中間部分尺寸為380 mm×160 mm)，厚度為12 mm。缺口尺寸根據《金屬材料疲勞試驗疲勞裂紋擴展方法》(GBT6398-2017)選取。裂紋長度為15 mm，材料選取Q345，彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.28。定義止裂孔中心距裂紋起始點的距離為m，如圖1所示。

圖1 標準鋼板試件尺寸和缺口尺寸(單位：mm)

模型采用ABAQUS有限元軟件進行建立，鋼板厚度為12 mm，荷載F=40 kN。對于止裂孔模型，在裂紋尖端(m=15 mm)設置直徑為5 mm的止裂孔，孔的中心與裂紋尖端重合。對于單高強度螺栓止裂，在止裂孔的基礎上擰上預緊力為4 kN的高強度螺栓。對于雙高強度螺栓止裂模型，在m=5 mm和m=15 mm處分別打孔，并擰上預緊力為4 kN的高強度螺栓。高強度螺栓采用實體單元C3D8R模擬，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28。采用疲勞缺口系數Kf來表征修復鋼板的止裂效果。

2 有限元結果分析

采用有限元方法計算得到的不同條件下的最大主應力值，如圖2所示。圖2分別顯示了止裂孔，單螺栓止裂和雙高強度螺栓止裂的應力云圖，如圖可以看出高強度螺栓的加入改變了止裂孔附近的最大主應力的分布。在增加了高強螺栓后，該孔的主應力分布發生明顯變化。這是由于當試件承受拉伸作用時，裂紋前端將產生相對位移。但施加高強螺栓后，鋼板表面與螺栓墊板之間產生的摩擦力遏制了裂紋的張開。由此表明高強螺栓止裂孔法比單純施加止裂孔有了較大的止裂效果。

圖2 不同止裂修復條件下最大主應力分布

通過計算不同方法下模型的最大應力，利用應力集中系數Kt和疲勞缺口系數Kf來表征修復鋼板的止裂效果[5]，應力集中對疲勞強度的影響由代表疲勞強度下降時間的疲勞缺口系數Kf決定，而不是代表間隙峰值應力增加的應力集中系數Kt決定[6]。與應力集中系數相比，疲勞缺口系數既考慮了任意間隙的幾何條件，又考慮了材料的種類。

式中：σmax為計算得到的實際最大應力；c為與材料有關的常數，對于Q345型鋼，c=0.45；ρ為孔的曲率半徑；F為施加荷載；W為模型的寬度；t為模型厚度；a為裂紋的長度。

將以上計算結果匯總于表1。隨著高強度螺栓的加入，鋼板止裂孔孔邊的最大主應力減小，應力集中系數和疲勞缺口系數也相應減小，說明采用止裂孔一定程度上能夠改善疲勞性能。具體原因為鋼板表面與螺栓墊板之間產生的摩擦力遏制了裂紋的張開。

表1 不同條件下修復模型應力集中系數和疲勞缺口系數

3 結 論

文中采用高強度螺栓止裂的方法，通過有限元仿真，研究加入高強度螺栓后其主應力分布的變化以及疲勞缺口系數Kf的變化。分析其改善疲勞性能的原因。主要得出以下結論：

(1) 高強度螺栓止裂法一定程度上能改善疲勞性能，且雙螺栓止裂效果要由于單螺栓止裂修復。

(2) 高強度螺栓的加入使得鋼板表面與螺栓墊板之間產生了摩擦力，從而遏制了裂紋的張開。

(3) 將雙高強度螺栓應用于含裂紋鋼結構橋梁等結構，能夠延長結構的使用壽命。