关于钢桥面板钻孔止裂的建议

钢箱梁由于具有自重轻、抗扭强度高、制作施工便捷等优点，在大跨径桥梁中被广泛应用。钢桥面板直接承受轮载作用，局部构造复杂，在循环荷载作用下，会产生不同方向的面外变形，最终会出现疲劳裂纹。钻孔止裂以其高效、经济、操作便捷等优点被广泛应用于疲劳裂纹的维修。

在对疲劳裂纹钻孔时，由于裂纹面形状不规则，裂纹前端沿构件厚度分布不均匀，导致上下表面裂纹尖端存在距离差。同时，叠加构件表面涂层开裂和材料内部缺陷等因素的影响，采用专业检测设备也难以准确判断裂纹尖端的具体位置。即使能够打在构件裂纹的上表面尖端，如图1（a）,也容易出现孔依旧位于裂纹后侧的问题。此时裂纹呈现为从孔缺口处萌生的短裂纹，而缺口裂纹会表现出异常的高增长率，修复效果无法保证。此外，实桥中部分裂纹刚从焊缝萌生，尚未往顶板或U肋扩展，此时钻孔会对顶板和U肋母材造成破坏，如图1（b）。同时，由于裂纹长度较短且分布于构件间的狭窄空间，考虑到人员、设备的操作空间以及孔边打磨等后处理措施，研究人员提出了通过裂纹形态预测其扩展方向，并在距离尖端一定位置处提前实施钻孔的方法，该方法已在多座大跨径缆索支承桥梁钢箱梁疲劳裂纹的养护中应用。因此，部分学者和维修手册推荐的孔位d=0.5D（D为止裂孔直径）虽然理论上能达到较好的维修效果，但实际维修时由于裂纹尖端难以判断等问题，往往不可避免地采取非尖端孔位钻孔。

（a） 非理想钻孔形态1

（b） 非理想钻孔形态2

图1 非理想钻孔形态

通过研究发现，在距离裂纹尖端前的一段距离打孔，裂纹同样能扩展至孔中，起到一定延缓裂纹扩展的效果，同时消除了实际操作时不易辨认尖端位置的影响，该研究确认了非尖端钻孔的可行性。通过建立数值模型，研究了孔位与裂纹扩展方向的关系，结果表明，在裂纹尖端附近沿垂直和水平方向合理距离内开孔，可获得最大的裂纹扩展转角，表明非尖端钻孔具有改变裂纹扩展方向的作用。通过开展试验同样发现，在距离尖端一定位置处钻孔可引导裂纹扩展，防止多条裂纹汇集，造成构件更大的截面损伤。以上研究均表明，非尖端钻孔具有工程上的可行性且能起到改变裂纹扩展方向的作用。

图2 实桥非尖端钻孔后的裂纹扩展形态

此外，工程人员在对悬索桥钢箱梁巡检中发现，部分采用远孔位钻孔后的疲劳裂纹扩展形态，与采用d=0.5D孔位下的形态差异较大，如图2所示。在裂纹扩展至止裂孔前，孔前侧出现两条不同路径的裂纹。孔前侧裂纹离孔边越远，宽度越窄。由于裂纹尖端的宽度通常较窄，推测孔前侧裂纹并非由原裂纹分叉产生，而是孔前侧萌生的新裂纹。因此，综合现有研究和实桥检测的结果可知，现阶段针对非尖端钻孔对裂纹扩展方式、尖端特性的影响均有待进一步明确。在研究对象上，现有文献多关注于钻孔对疲劳裂纹的影响，而裂纹扩展对一定距离处的止裂孔产生的影响亦不可忽视，非尖端钻孔与裂纹扩展间的相互影响规律也需要进一步明确。

基于实桥裂纹观测，通过开展有限元数值模拟和疲劳试验，对d>0.5D孔位钻孔后的维修效果和对疲劳裂纹扩展方式的影响进行了分析。揭示了非尖端钻孔后的裂纹扩展方向、路径、尖端应力强度因子及止裂孔孔边应力变化特征，为实桥疲劳裂纹钻孔止裂维修技术的优化和应用提供了参考。

为验证图1中非尖端钻孔后孔边，会于原始裂纹到达前萌生裂纹的猜想，设计并开展了疲劳试验。以钢桥面板顶板与竖向加劲肋和横隔板-U肋连接焊缝两处实桥典型易开裂部位为研究对象，进行局部足尺模型的常幅疲劳试验研究。试件材料与实桥材料一致，采用Q345qD钢。钢桥面板顶板与竖向加劲肋垂直相交，进行T形接头包角焊接，横隔板与U肋在弧形缺口处采用围焊处理。根据实桥的观测和统计，两种构造均容易在围焊的包角处萌生疲劳裂纹。

图3 顶板-竖向加劲肋局部足尺试件

图4 横隔板-U肋局部足尺试件

试验针对顶板-竖向加劲肋和横隔板-U肋构造细节，设计了不同孔位的钻孔试验。横隔板-U肋构造细节共4个试件，当裂纹扩展至35mm时，对SJ4-8、SJ4-9分别在距离裂纹尖端d=2D、d=2.5D处钻孔，对SJ4-7和SJ4-10在距离为d=3D处进行钻孔，钻孔直径取10mm，试件加载应力幅为120MPa。竖向加劲肋构造细节共4组试件，当裂纹扩展至45mm时，取三组试件在d=3D处钻孔，编号为SJ3-5、SJ3-6、SJ3-7；另一组在d=2.5D处钻孔，编号为SJ3-8，加载应力幅160MPa，钻孔孔径取10mm，试验装置如图5所示。

图5 试验现场

试验中，各工况孔位下，疲劳裂纹均能有效扩展至止裂孔边，试验工况中最远孔位为d=3D。裂纹能否有效扩展至孔边，主要受裂纹尖端与止裂孔之间夹角的影响，故在CAD中，自裂纹尖端向不同孔位的孔边作切线，并利用CAD计算尖端所在直线与圆孔切线角度θ，如图6所示。随着孔位距离增大，夹角θ逐渐减小，降幅逐渐缩小。对夹角曲线求一次导数，可反映夹角的变化快慢程度。如图6可知：当孔位d超过3D后，导函数曲线逐渐趋于平缓，表明夹角降幅较小且逐渐稳定。因此，采用d≤3D的孔位进行钻孔具有理论和试验上的有效性，可确保裂纹能扩展至孔边。

图6 夹角与孔位关系

（a）顶板-竖向加劲肋试件SJ3-6

（b）横隔板-U肋试件SJ4-10

图7 试验裂纹扩展规律曲线

在进行顶板-竖向加劲肋和横隔板-U肋两种典型细节的孔位参数试验中，观测到，采用d>0.5D的孔位进行钻孔后的初期，裂纹的扩展速率变化较小，当扩展至孔前侧附近时，扩展速率和形态发生了较为明显的改变。以SJ3-6为例，裂纹自钻孔到扩展至孔前侧边缘，共经历了大于10万次的加载循环，扩展了25mm。其中，裂纹在扩展至距离孔边6.5mm处后，长度出现了陡升的现象，仅经历0.164万次加载循环便到达孔边。该段陡升区间的裂纹长度占25mm的26%，历时仅占1.7%。同样，对于SJ4-10，裂纹陡升段共扩展了13mm，占25mm的52%，历时仅占15%。

（a）SJ3-5

（b）SJ4-8

（c）SJ3-9

（d）SJ4-10

图8 试件疲劳裂纹扩展方式

对试验现象进行观测发现，疲劳裂纹在到达止裂孔前侧边缘之前，均发生了裂纹“拐弯”的现象，裂纹走向发生改变。如图8（a）所示，原始的疲劳裂纹在到达孔边前，向右上方发生了近75°的偏折，而后到达止裂孔孔边。图8（b）显示，疲劳裂纹走向在孔前侧向右下方，产生了近80°的转变。图8（c）在止裂孔前侧，出现了两个较窄的相连的裂纹尖端。图8（d）与实桥裂纹图2的扩展形式相似，止裂孔前侧萌生的裂纹出现分叉，与原始裂纹汇合。据以上现象结合实桥裂纹扩展形式，可推断，试验直观表现为原始裂纹直接扩展至孔边，实则是原始裂纹在到达止裂孔前，孔前侧发生了提前开裂，并与原始裂纹对向扩展，最终两裂纹相遇，原始裂纹到达孔边。为深入探究疲劳裂纹在孔前侧“拐弯”和快速扩展的机理，试验中考虑在止裂孔外侧粘贴应变片进行了孔边应力监测。

在上述的工况中，增加了对孔边应变变化的测量。对于顶板-竖向加劲肋和横隔板-U肋两种疲劳细节，当右侧疲劳裂纹分别扩展至45mm和35mm时,在试件SJ3-7的孔前侧、后侧边缘粘贴应变片，测量止裂孔前后缘的应变变化,如图9所示。在试件SJ3-9和SJ4-10的止裂孔前侧边缘、后侧边缘、后侧10mm和20mm处粘贴应变片,对裂纹从钻孔后到扩展至孔后侧20mm的整个过程中应变片示数变化情况进行了监测，如图10(a)和(b)。

（a）SJ3-7 竖向加劲肋3D钻10mm

（b）SJ3-7裂纹长度与应变的关系

图9 孔前、后侧应变变化

顶板-竖向加劲肋试件SJ3-7在孔前侧和后侧粘贴了应变片，随着原始疲劳裂纹的不断扩展，止裂孔前、后侧应变变化规律基本一致，呈曲线上升趋势。虚线1处代表孔前侧萌生裂纹，应变片失效；虚线1和2之间，表示原始疲劳裂纹和孔前侧裂纹相向扩展；虚线2处，原始裂纹与孔前侧裂纹相遇，试验直观表现为裂纹到达孔边；虚线3处，代表孔后侧裂纹萌生，应变片损坏。因此可知，非尖端钻孔后，在疲劳裂纹未扩展至孔边前，止裂孔前侧会发生提前开裂，此后，孔后侧边缘的应变增速持续增大。统计试件原始疲劳裂纹长度与孔前侧、后侧应变的关系，如图9（b）可知，钻孔止裂后的初期，随着原始疲劳裂纹扩展，孔前、后侧应变近似呈线性缓慢增大，当裂纹扩展至57mm（距离孔边13mm），孔前侧应变及孔前后侧应变差增速开始迅速扩大。

（a）SJ3-9 竖向加劲肋2.5D钻10mm

（b）SJ4-10 横隔板-U肋3D钻10mm

图10 孔前、后侧，10mm、20mm处应变变化

由于图10（a）和（b）的试验方法和测量内容相同，选取应变数据采集较为全面的图10（a）SJ3-9进行分析。虚线1、2、3的物理意义与图9（a）一致，虚线4表示裂纹扩展至孔后侧10mm，应变片损坏。由曲线可知，孔前侧一旦萌生裂纹，孔后侧应变增速开始缓慢加快（虚线1-2之间），当虚线2处原始疲劳裂纹和孔前侧裂纹相遇后，孔的止裂作用开始生效，但孔后侧测点的应变增速显著增大（虚线2-3之间），直至孔后侧萌生裂纹。随后裂纹继续扩展，10mm和20mm处的应变增速先慢后快，符合裂纹向单一应变片扩展时的应变规律，裂纹越接近应变片，应变增速越快。

对比图9（a）与图10（a）发现，在同等加载条件下，当原始裂纹与孔前侧裂纹相遇时，采用d=2.5D的SJ3-9孔后侧应变为2562，采用d=3D的SJ3-7则为3070。SJ3-9和SJ3-7在分别经历6100、3720次循环后，止裂孔后侧开裂。因此，增大孔位会提高裂纹到达孔边时孔后侧的应变，降低孔的止裂效果。

以上的孔位试验都出现了孔前侧裂纹与原始裂纹相向扩展的现象，而裂纹“拐弯”的现象则视情况而定。“拐弯”是由于从孔前侧扩展出的裂纹尖端附近也存在塑性区，原始裂纹会向着较为薄弱的塑性区扩展，导致扩展路径发生改变。当非尖端钻孔孔位正好钻于原始裂纹后期实际扩展路径时，“拐弯”的现象并不明显，如图8（c）所示。但若对裂纹扩展方向判断不准确，钻孔位置出现偏差，便会出现裂纹的“拐弯”现象，如图8（a）、（b）、（d）。图8（a）和（d）表示止裂孔位置向上偏移，图8（b）表示钻孔位置向下偏移。但试验中，止裂孔孔位偏离原始裂纹实际扩展方向后，裂纹依然可以扩展至孔边，裂纹从孔后侧萌生后，裂纹扩展路径被改变，不在原始裂纹的延长线上，如图8（a）所示。这也验证了，非尖端孔位会改变裂纹扩展方向。

试验过程中，对非尖端钻孔后的裂纹扩展形态进行了拍摄捕捉。非尖端钻孔后，裂纹扩展共分为四个阶段。第一阶段：原始疲劳裂纹持续扩展，此时孔前侧应力缓慢增加，当原始裂纹的塑性区覆盖到孔前侧时，孔前侧应变增速逐渐扩大；第二阶段：原始裂纹继续扩展，但未到达孔边，孔前侧母材开裂，应变片破坏；第三阶段：原始裂纹扩展速率加快，孔前侧裂纹与原始裂纹相向扩展，裂纹宽度逐渐增加；第四阶段：原始裂纹与孔前侧裂纹相遇，直观表现为原始裂纹到达孔边后，孔后侧应变增速开始显著加快，如图11所示。

图11 非尖端钻孔后的裂纹扩展行为

孔前侧裂纹萌生，直至与原始裂纹汇合的过程（三、四阶段），在试验中持续时间极短，统计各试件中三、四阶段裂纹扩展速率如表1。一和二阶段的循环次数为NW-N3,4，扩展距离为SW-S3,4。三和四阶段的循环次数为N3,4，扩展距离为S3,4。由表可知，SJ4-9、SJ3-7、SJ3-9试件三、四阶段的扩展速率分别是一、二阶段的2.65、1.78和1.96倍，平均超过两倍，可知非尖端钻孔维修间接加快了疲劳裂纹的扩展速率。

通过开展疲劳试验并结合有限元分析，对采用d>0.5D的非尖端孔位钻孔维修后的裂纹扩展方式进行了分析，可以看出，非尖端钻孔后，原始裂纹扩展会损伤构件有效承载截面，导致孔前后侧应变持续增长。当原始裂纹尖端塑性区覆盖孔前侧时，孔与裂纹间的局部母材屈服，孔口应力集中显著致使止裂孔先开裂，而原始裂纹尚未到达孔边。随后两裂纹相向扩展直至相遇，相向扩展的平均速率达无孔边裂纹时的两倍。另外，非尖端钻孔可改变疲劳裂纹的扩展方向，引导裂纹发展。当钻孔位置与裂纹扩展方向发生偏移时，原始裂纹会向着孔前侧裂纹尖端薄弱的母材塑性区扩展，其扩展路径在止裂孔前侧将发生偏转。当止裂孔恰好位于原始裂纹实际扩展路径上时，裂纹扩展方向将无明显变化。对于实桥中沿母材扩展的裂纹，建议在裂纹尖端和3倍孔径范围内钻双孔维修，在尽可能去除裂纹尖端的同时，可防止因尖端误判导致维修效果不佳的情况，提高止裂孔延缓裂纹扩展的效果。