针对气动冲击作用下钢桥裂纹闭合开展试验研究,以带人工裂纹平板试件为研究对象,考虑不同冲击方式、冲击参数、材料强度等因素下对裂纹闭合深度的影响.建立拉伸荷载作用下带扁平椭圆裂纹的扩展有限元模型,从应力强度因子的角度分析了不同裂纹闭合深度对裂纹扩展速率的影响.结果表明:三次冲击作用下,裂纹闭合表面较为平整且闭合深度更深.当裂纹宽度较小时,采用合理的冲击参数可获得较大的裂纹闭合深度,本次试验中,裂纹最大闭合深度可达2.0 mm.有限元结果显示,随着裂纹闭合深度增大,裂纹尖端应力强度因子大幅度下降,但增幅逐渐趋于平缓,从应力强度因子的角度表明了气动冲击作用对延缓裂纹扩展具有积极作用.

以实桥疲劳裂纹为研究对象,从应力和应力强度因子角度评估气动冲击维修方法的现场实施效果.对维修前后疲劳裂纹尖端附近的应力分别进行24 h数据采集,并采用雨流计数法,探讨裂纹尖端应力幅的变化规律.结合应力强度因子测试理论,对比研究裂纹尖端应力强度因子幅的变化规律.研究结果表明:本测点疲劳裂纹为典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,维修后疲劳裂纹尖端张拉和剪切应力幅均得到有效降低,改善了裂纹尖端受力条件.高应力强度因子幅的循环次数显著降低,表明气动冲击维修技术对于制约复合型裂纹扩展具有良好效果.

基于现场监测数据,针对钢桥面板疲劳裂纹开展了气动冲击修复效果研究.采用张拉型及环状应变片,监测气动冲击修复前后疲劳裂纹尖端及附近区域应变场特征.通过雨流计数法,分析了裂纹尖端疲劳应力幅变化规律.结果表明本测点疲劳裂纹张拉和剪切应力均具有较大水平,是典型的I-II复合型疲劳裂纹,呈现为张开—闭合—剪切的三阶段扩展模式.气动冲击修复技术可以大幅降低裂纹尖端的张拉和剪切应力,减少高应力幅循环次数,有效约束复合型疲劳裂纹扩展.

为分析气动冲击技术对长裂纹的修复效果,选取了三个裂纹长度均为100 mm以上的顶板与U肋试件,开展了气动冲击修复试验及修复后疲劳加载,并分析了微观结构变化、裂纹断面、裂纹扩展速率、应力幅等。同时,建立了相关有限元模型,基于分析结果提出了部分关键的技术参数。研究表明,由于锤击后的应力重分布,在锤击区域的两侧会产生新的疲劳源区,但具有长裂纹试件的疲劳寿命依然得到了显著的提高。气动冲击可产生可观的残余压应力,为取得最佳效果,气动冲击角度建议为70°。裂纹闭合后焊根应力呈不均匀分布,最佳的闭合深度为4 mm。在裂纹闭合深度影响的试验研究中,建议采用三点外推得到的热点应力作为评判指标。

针对气动冲击作用下钢材表面局部应力场开展试验研究,从宏观和微观角度分析冲击作用下构件表面的残余应力场变化规律及硬化程度。同时,建立冲击过程的静力等效模型,分析不同的冲击参数对其残余应力场分布规律的影响,结果表明随着冲击的进行,试件表面残余压应力逐渐增大,且增幅趋于平缓,同时钢材表面晶格尺寸减小、硬化程度提高。有限元分析结果显示冲击作用下可以使构件产生明显的残余压应力,随着材料硬化程度的提高,增大冲击频率对残余压应力的提高效果不明显,较大尺寸的冲击头使得残余压应力分布更为均匀,范围更大。