大型钢箱梁正交异性板止裂孔尺寸对止裂效果的影响研究

大型钢箱梁正交异性板止裂孔尺寸对止裂效果的影响研究

李增光林小兵徐文德

中交公路规划设计院有限公司北京100010

摘要：文章考虑在裂缝尖端布置多种尺寸止裂孔，采用ANSYS软件对开裂模型进行线弹性有限元分析，通过对比不同止裂孔尺寸下模型裂缝尖端区域最大应力值，研究不同止裂孔尺寸对正交异形板裂缝发展控制的效果，结果表明：随着止裂孔尺寸的增大，裂缝位置附近最大应力值逐渐减小，但裂缝尾部位移也逐变大，对钢板界面强度的削弱作用也越严重，同时结合工程实际，验证了结论的合理性。

关键词：钢箱梁；止裂孔尺寸；有限元法

0引言

钢箱梁桥相比混凝土桥梁具有施工方便、自重较轻、强度高、空气动力性能好等特点，目前已成为大跨度桥梁的主流形式[1]，我国于20世纪80年代开始建造钢箱梁桥，1984年简支钢箱梁桥马房北江大桥建成通车[2]，随着大量大跨钢箱梁桥的投入使用，以及超载、车流量超出设计限值及焊接缺陷等问题在大型钢箱梁桥中频繁出现，钢箱梁疲劳病害问题已日益凸显严重。

钢箱梁桥正交异性板是疲劳损伤多发的部位之一[3]，在桥梁日常养护或检查中，若发现疲劳裂缝需及时进行修复，止裂孔是目前普遍采取的一种临时止裂修补措施，对裂缝的发展具有良好的抑制作用，可以通过对裂缝的跟踪观察，确定合适的时机进行统一修复[4]。

止裂孔法的基本原理是消除裂缝尖端的应力集中区域，目前常用的方法是在裂纹尖端施打止裂孔，何云树[5]等人研究了止裂孔尺寸对航空器结构裂纹的止裂效果，但主要是针对铝合金包铝板材料；刘天筎[4]等人研究了止裂孔多孔布置方法对止裂效果的影响，针对裂纹尖端止裂孔尺寸对大型钢箱梁正交异性板止裂效果的影响研究较少，因此本文考虑不同止裂孔尺寸，通过有限元分析并结合工程实际，找出合理的止裂孔尺寸。

1有限元分析模型

本文采用ANSYS19.0软件，对止裂孔钢板进行线弹性有限元分析，计算止裂孔处的最大应力值，研究对象为40cm×20cm的钢板，裂缝长度3cm，材料弹性模量E=206GPa，泊松比ν=0.3。在线弹性分析中裂缝尖端具有奇异性，因此在裂缝尖端区域选用奇异单元，并采用8节点平面四边形单元PLANE183进行单元网格划分，在垂直于裂缝发展方向的边缘施加1MPa线荷载，平行于裂缝发展方向的一个板边缘施加X和Y方向约束，另一个板边缘施加Y方向约束[4]。考虑4种不同的止裂孔尺寸，止裂孔直径D分别为6mm、8mm、10mm、12mm，图1为1/2有限元网格图。

图11/2有限元网格图

2计算结果分析

在裂缝尖端施打不同孔径的止裂孔，计算得到最大应力值和裂缝尾部位移，结果见表1，将结果云图关于Z-X平面对称，得到整体模型结果云图，如图2所示。

图2孔径为6mm的模型应力云图

表1不同止裂孔下模型裂缝尖端区域最大应力值和裂缝尾部位移值

图3裂缝尖端区域最大应力值和裂缝尾部位移随止裂孔尺寸变化情况

由表1及图3可知，随着止裂孔直径的增大，裂缝尖端区域的最大应力值逐渐降低，但裂缝尾部最大位移随之增加，表明较大的止裂孔会对钢板截面强度产生一定的削弱作用。

某大型钢箱梁桥于2014年进行了正交异性板疲劳裂纹止裂孔施打，在裂缝尖端施打的止裂孔有9处，其中直径8mm止裂孔1处，直径10mm止裂孔8处，随后每年进行跟踪观察，2018年观察结果见下表2所示：

表2某大型钢箱梁桥止裂孔裂纹发展情况

由表2可知，止裂孔作为一种临时止裂措施，随着时间推移，裂缝会穿过止裂孔继续发展，孔径10mm的止裂孔止裂效果最佳，其次是孔径8mm的止裂孔。

3结论

（1）随着止裂孔尺寸的增大，裂缝位置附近最大应力值逐渐减小，但裂缝尾部位移也逐渐变大，对钢板截面强度的削弱作用也越严重。

（2）止裂孔仅是一种临时止裂技术，可以减慢裂缝发展的速度，并不能替代永久性修复措施。

（3）结合工程实际，建议采取在裂缝尖端施打直径10mm的止裂孔对裂缝进行止裂，会取得良好的止裂效果。

参考文献：

[1].程苗等，钢箱梁疲劳裂纹安全性等级评价方法.重庆交通大学学报（自然科学版），2013.32（S1）：第772-775页.

[2].赵秋，陈美忠与陈友杰，中国连续钢箱梁桥发展现状调查与分析.中外公路，2015.35（01）：第98-102页.

[3].刘中祥，大跨钢桥疲劳裂纹扩展的数值模拟研究，2015，东南大学.第81页.

[4].刘天笳等，钢桥疲劳裂纹钻孔止裂技术多孔布置方法研究.合肥工业大学学报（自然科学版），2016.39（10）：第1376-1380页.

[5].何云树，陈立军与杜洪增，止裂孔尺寸对止裂效果影响的研究.中国民航学院学报，2004（03）：第29-31页.