几何尺寸对HFMI处理盖板疲劳寿命的影响机制研究：基于有效缺口应力法的数值分析与实验验证

《Welding in the World》：The effect of geometry dimensions on fatigue life of HFMI-treated cover plates

本研究针对焊接盖板疲劳性能不足的难题，创新性地采用高频机械冲击（HFMI）处理技术，通过122组有效缺口应力（ENS）有限元分析和系统实验，揭示了盖板厚度、翼缘厚度与焊喉尺寸对应力集中系数的量化影响规律。研究首次建立了Ktoe、Kroot及应力比的计算公式，证实当aw/tc>0.5时可显著降低根部开裂风险，为HFMI处理盖板的抗疲劳设计提供了关键理论依据，使焊接替代螺栓连接成为可能，对桥梁加固工程具有重要实践价值。

　　

随着交通荷载的日益增加，大量在役钢桥面临加固需求。盖板加固法作为提升钢桥承载力的常用手段，传统上多采用螺栓连接方式。虽然螺栓连接在疲劳性能方面表现稳定，但其现场钻孔作业精度要求高、施工成本昂贵，且存在缝隙腐蚀的风险。相比之下，焊接连接虽然施工便捷、成本较低，但焊接盖板端部存在严重的应力集中，疲劳性能较差，在AASHTO和Eurocode等规范中被列为低疲劳类别细节，这极大限制了其工程应用。

为解决这一矛盾，研究人员将目光投向高频机械冲击（High-Frequency Mechanical Impact, HFMI）这一先进的焊接后处理技术。HFMI处理通过在焊趾处引入压缩残余应力和降低应力集中，可显著提升焊接接头的疲劳性能。然而，对于HFMI处理的焊接盖板，其疲劳性能究竟如何？盖板、翼缘的几何尺寸以及焊缝尺寸如何影响其疲劳寿命？疲劳破坏究竟是从焊趾开始还是从焊缝根部开始？这些问题尚未得到系统解答，制约了该技术在桥梁加固中的推广应用。

为此，Chalmers大学的Mohammad Noghabi和Mohammad Al-Emrani在《Welding in the World》上发表了最新研究成果，系统探究了几何尺寸对HFMI处理盖板疲劳寿命的影响。研究团队通过精细的有限元模拟和实验验证，旨在为工程师提供可靠的设计模型，避免复杂的有限元分析，推动HFMI处理焊接盖板在桥梁加固中的安全应用。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1）有效缺口应力法（ENS）进行局部应力评估，对122个不同几何尺寸的模型进行有限元分析，计算焊趾和焊缝根部的应力集中系数K_toe和K_root；2）实验研究，对S355钢材制作的HEA 200梁的焊接盖板试件（包括8个HFMI处理试件和4个焊态试件）进行四点弯曲疲劳试验；3）结合文献中的实验数据（Vilhauer等人和Hui等人的研究），对不同厚度和焊喉尺寸的案例进行综合分析；4）基于遗传算法优化进行曲线拟合，推导应力集中系数的计算公式。

2.1 荷载条件与剪切应力的影响

研究发现，荷载条件显著影响应力集中程度。在纯弯曲和拉伸荷载（无剪应力）作用下，K_toe和K_root最低。三点弯曲荷载（存在剪应力）会产生最高的应力集中系数，且K_toe/K_root比值最低，表明根部开裂风险最高。当盖板终止于剪力区时，剪应力的存在会使K_root的增长幅度大于K_toe，导致K_toe/K_root比值降低，从而增加根部开裂的可能性。

2.2 几何尺寸的关键作用

研究系统评估了盖板长度、翼缘厚度、焊喉尺寸和盖板厚度对应力集中的影响。盖板长度增加会提高焊趾和根部的应力，但不改变应力比。翼缘厚度的变化对K_toe、K_root及其比值的影响微弱。焊喉尺寸（a_w）是影响最显著的因素。增大焊喉尺寸（即a_w/t_c比值增大）可降低K_toe和K_root，且对K_root的降低效果更明显，从而导致K_toe/K_root比值增大，意味着根部开裂风险降低。盖板厚度与翼缘厚度之比（t_c/t_f）对K_root影响不大，但对K_toe有影响，尤其在a_w/t_c较小时更为明显。

2.3 实验验证与破坏模式

疲劳实验结果表明，HFMI处理使细节类别从焊态的约50 MPa提升至81.4 MPa（最接近EN 1993-1-9中的80 MPa类别），提升了四个细节类别。所有试件（包括焊态和HFMI处理）均发生焊趾开裂。结合文献数据，研究构建了以应力比α（K_toe/K_root）和细节类别（Δσ_{c_toe}）为参数的破坏模式图。当施加的应力水平低于临界应力Δσ_toe*时，破坏模式由焊趾开裂转变为根部开裂，此时HFMI处理对疲劳寿命的改善效果有限。

2.4 应力集中系数的实用计算公式

基于122组有限元分析数据，通过回归分析得到了计算K_toe、K_root及其比值的实用公式（R2分别为0.927和0.82）。这些公式主要以a_w/t_c和t_c/t_f为参数，形式简洁，精度良好，可直接用于HFMI处理盖板的抗疲劳设计，无需进行复杂的有效缺口应力分析。

本研究通过系统的数值模拟和实验分析，明确揭示了几何尺寸，尤其是焊喉尺寸与盖板厚度之比（a_w/t_c），是控制HFMI处理焊接盖板疲劳性能和破坏模式的关键因素。研究成果不仅提供了可直接用于工程设计的实用计算公式，还明确了通过合理选择几何参数（建议a_w/t_c > 0.5）可以优先保证焊趾处发生疲劳破坏，从而充分发挥HFMI处理的增益效果。这对于推广焊接盖板在钢桥加固中的应用，替代成本高昂的螺栓连接，具有重要的理论指导价值和工程经济意义。