一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置及其使用方法

摘要

本发明涉及一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置及其使用方法，在开裂钢结构上布设预张锤击装置本体包括吸附定位部件、预张力生成部件、限位锁紧部件、表观扫描部件、直线运动部件、高频冲击部件以及数据处理及计算控制单元，采用预张力生成部件和结合实际结构、荷载信息的操作流程实现钢结构疲劳裂纹的维修作业；本发明不仅能够扩展裂纹体塑性变形空间，优化冲击维修效果，有效抑制疲劳裂纹扩展的同时消除不利残余应力和微观缺陷的影响，改善钢材的疲劳性能，进而提高结构的服役寿命，而且可以实现有效评估裂纹维修的效果，降低维修中的不确定因素和结构二次开裂的风险。

说明书

技术领域

本发明涉及一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置及其使用方法，属于钢结构疲劳裂纹维修技术领域。

背景技术

钢结构凭借其重量轻、承载能力强、施工方便等优点而被广泛运用于航海、建筑、交通等领域。随着服役年限的增加，部分钢结构或多或少出现了疲劳开裂，这大大影响了钢结构的安全性和耐久性；因此，发展一种有效的疲劳裂纹维修措施，对提高我国钢结构的服役寿命具有重要意义。

目前对钢结构疲劳裂纹的维修措施主要包括止裂孔法、补焊法、碳纤维补强法等。前两种方法能够有效地阻滞疲劳裂纹的继续扩展，然而在维修过程中将不可避免地造成原有结构损伤，并且引入的残余拉应力使得结构具有二次开裂的风险。碳纤维补强法作为一种无损维修方法而被广泛运用，然而由于钢材弹模与粘结胶层弹模存在较大差异，碳纤维并不能很好地约束开裂钢材的变形；此外，钢结构的疲劳开裂除了与循环外载有关外，还与钢结构组装过程中引入的残余拉应力以及钢材表面的初始缺陷有关。如何在维修过程中消除上述不利因素的影响应被纳入发展维修措施的思考中去。

为此，有必要采取有效的措施抑制疲劳裂纹的继续扩展，消除开裂细节处残余拉应力及表面缺陷的影响，同时不造成结构的损伤或引起结构的二次开裂，从而提高钢结构的整体使用寿命。

发明内容

本发明提供一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置及其使用方法，能够消除开裂细节处产生的残余拉应力以及表面缺陷的影响，同时避免对结构的损伤或者二次开裂，提高了钢结构的整体使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置，包括开裂钢结构, 还包括预张锤击装置本体，吸附定位部件，预张力生成部件，限位锁紧部件，表观扫描部件，直线运动部件，高频冲击部件，数据处理及计算控制单元；

所述吸附定位部件借助强磁力与开裂钢结构紧密连接，其中所述吸附定位部件至少内含一套强磁生成系统；所述预张力生成部件与所述吸附定位部件固定连接，其中所述预张力生成部件至少包含一套液压顶升系统；所述限位锁紧部件的一端与所述预张力生成部件固定连接，另一端具备锁死和放松功能从而控制所述预张力生成部件中液压构件间的相对位置；所述表观扫描部件与所述直线运动部件固定连接；所述直线运动部件与所述定位部件滑动连接，且至少包括一组驱动装置能带动所述表观扫描部件沿裂纹方向产生位移；所述高频冲击部件至少包含一组能冲击钢材表面使所述开裂钢结构中疲劳裂纹面闭合的冲击装置；所述预张锤击装置本体与所述数据处理及计算控制单元连接；

作为本发明的进一步优选，前述数据处理及计算控制单元接收外部输入的开裂结构几何和荷载信息，结合表观扫描部件输入的裂纹信息，借助内置的计算程序分析后确定所述预张力生成部件的预张力；

作为本发明的进一步优选，前述限位锁紧部件根据内设情景及所述数据处理及计算控制单元指定的预张力锁死预张力生成部件，所述内设情景包括但不限于系统死机、重启、损坏和其他需要锁死预张力生成部件的情况；

作为本发明的进一步优选，前述表观扫描部件在所述直线运动部件的驱动下对疲劳裂纹表观特征进行扫描获取，并输入至数据处理及计算控制单元对冲击维修效果进行评价；

一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置的使用方法，包括如下步骤：

a 装置布设，将所述预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置固定于需要进行裂纹维修作业的钢结构表面，调整所述吸附定位部件、预张力生成部件、表观扫描部件三者与开裂钢结构表面疲劳裂纹的相对位置，确保维修过程中疲劳裂纹不被遮挡；

b 状态检查，确保所述预张力生成部件，表观扫描部件，高频冲击部件，数据处理及计算控制单元的工作状态良好，确认所述限位锁紧部件未处于锁死状态；

c 预张力施加，接通预张开裂纹后冲击的预张锤击装置本体的动力源，数据处理及计算控制单元向直线运动部件发出启动指令，表观扫描部件对裂纹识别并将获取的信息传送至数据处理及计算控制单元，其结合实际开裂钢结构、荷载信息计算出需施加的预张力，并将需施加的预张力信息传送至预张力生成部件，进行缓慢施加预张力；

d 冲击作业，通过限位锁紧部件锁死预张力生成部件，启动高频冲击部件沿疲劳裂纹路径进行冲击作业，基于高频冲击部件输出的持续冲击力，裂纹周边钢材产生塑性变形从而使疲劳裂纹闭合；

e 冲击效果评价，通过表观扫描部件对冲击后的裂纹表面进行扫描，基于数据处理及计算控制单元给出冲击后的表面平整度和裂纹闭合程度信息，判断是否需要再次启动所述高频冲击部件对裂纹表面进行进一步冲击；

f 预张力释放，解除限位锁紧部件的锁死状态，控制预张力生成部件缓慢释放预张力，利用恢复的弹性变形在闭合的裂纹面上施加残余压应力；

g 装置回收，疲劳裂纹维修作业结束后，保存数据至数据处理及计算控制单元，切断预张开裂纹后冲击的预张锤击装置本体的动力源，回收整套装置，结束疲劳裂纹维修作业。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在预张力释放时，预张力生成部件缓慢释放预张力，利用放张时恢复的弹性变形在疲劳裂纹表面施加可观的残余压应力，可以抑制疲劳裂纹的继续扩展，有效的提高了钢结构的服役寿命；

2、本发明将疲劳裂纹预张开后冲击，为疲劳裂纹提供了塑性变形空间，大大改善了冲击维修的效果；

3、本发明通过高频冲击部件进行冲击的过程中，能够有效消除裂纹周边的残余拉应力以及表面缺陷，提高了裂纹表面的平整度，进而改善了开裂钢结构的疲劳性能；

4、本发明提供的表观扫描部件能对裂纹维修效果进行定量评估，极大降低了疲劳裂纹维修中的不确定的因素和结构二次开裂的风险；

5、本发明通过数据处理及计算控制单元统领各部件的运作，提高了疲劳裂纹维修的精度和效率，同时，其自动化特点有利于将本发明推广至相关的智能维养系统的构建。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例的工作状态示意图；

图2是本发明提供的优选实施例的操作流程图；

图3是本发明提供的优选实施例的结构框图。

图中：1为预张锤击装置本体，2为吸附定位部件，3为预张力生成部件，4为限位锁紧部件，5为表观扫描部件，6为直线运动部件，7为高频冲击部件，8为数据处理及计算控制单元，9为开裂钢结构。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本申请旨在提供一种预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置，能够消除开裂细节处残余拉应力以及表面缺陷的影响，同时不造成结构的损伤或者二次开裂；本申请提供的预张锤击装置本体1布设在开裂钢结构9表面，此预张锤击装置本体1包括吸附定位部件2、预张力生成部件3、限位锁紧部件4、直线运动部件6以及数据处理及计算控制单元8，相互的布设关系是：包括相对平行布设的吸附定位部件2，在两个吸附定位部件2之间平行布设预张力生成部件3，两个预张力生成部件3同时与吸附定位部件2垂直；在预张力生成部件3上安装限位锁紧部件4；直线运动部件6滑动连接在其中一个吸附定位部件2上，直线运动部件6相对开裂钢结构9表面疲劳裂纹的位置安装表观扫描部件5；在位于开裂钢结构9表面疲劳裂纹位置上还布设高频冲击部件7，使疲劳裂纹受到冲击后闭合；还包括数据处理及计算控制单元8，其与预张锤击装置本体1连接。

在上述结构中，吸附定位部件2是借助强磁力与开裂钢结构9紧密连接，在吸附定位部件2内至少含有一套强磁生成系统，预张力生成部件3至少包含一套液压顶升系统，其与吸附定位部件2连接，启动液压顶升系统即可实现预张力的施加，限位锁紧部件4的一端与预张力生成部件3固定连接，其另一端具备锁死和放松功能，从而能够控制预张力生成部件3中液压构件间的相对位置，满足预张力施加时的稳定程度；直线运动部件6与吸附定位部件2滑动连接，至少包含一组驱动装置，能够带动表观扫描部件5沿着疲劳裂纹方向产生位移；高频冲击部件7至少包含一组能冲击钢材表面使开裂钢结构9中疲劳裂纹面闭合的冲击装置。

使用时，数据处理及计算控制单元8接收外部输入的开裂结构几何和荷载信息，并结合所述表观扫描部件5输入的裂纹信息，借助内置的计算程序分析后确定预张力生成部件3的预张力；限位锁紧部件4根据内设情景及数据处理及计算控制单元8指定的预张力锁死预张力生成部件3，内设情景包括但不限于系统死机、重启、损坏和其他需要锁死预张力生成部件3的情况；表观扫描部件5在直线运动部件6的驱动下对裂纹表观特征进行扫描获取，并输入至所述数据处理及计算控制单元8对冲击维修效果进行评价。

接着本申请给出了如图1所示的一种优选实施例，其给出的吸附定位部件2内部设置强磁生成系统，在吸附定位部件2的表面有凸起的滑道，直线运动部件6的一端为U型滑块，U型滑块安装在滑道内，从而实现直线运动部件6在吸附定位部件2表面的移动。

图2给出了本申请预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置的使用流程，具体的包括如下步骤：

a 装置布设，将所述预张开裂纹后冲击的钢结构疲劳裂纹维修装置固定于需要进行裂纹维修作业的钢结构表面，调整所述吸附定位部件2、预张力生成部件3、表观扫描部件5三者与开裂钢结构9表面疲劳裂纹的相对位置，确保维修过程中疲劳裂纹不被遮挡；

b 状态检查，确保所述预张力生成部件3，表观扫描部件5，高频冲击部件7，数据处理及计算控制单元8的工作状态良好，确认所述限位锁紧部件4未处于锁死状态；

c 预张力施加，接通预张开裂纹后冲击的预张锤击装置本体1的动力源，数据处理及计算控制单元8向直线运动部件6发出启动指令，表观扫描部件5对裂纹识别并将获取的信息传送至数据处理及计算控制单元8，其结合实际开裂结构9的结构和荷载信息计算出需施加的预张力，并将需施加的预张力信息传送至预张力生成部件3，进行缓慢施加预张力；

d 冲击作业，通过限位锁紧部件4锁死预张力生成部件3，启动高频冲击部件7沿疲劳裂纹路径进行冲击作业，图3所示给出了整个过程状态图，从未处理的裂纹状态到预张拉后的裂纹状态，基于高频冲击部件7输出的持续冲击力，裂纹周边钢材产生塑性变形从而使疲劳裂纹闭合，形成图3中预张冲击后的裂纹状态；

e 冲击效果评价，通过表观扫描部件5对冲击后的裂纹表面进行扫描，基于数据处理及计算控制单元8给出冲击后的表面平整度和裂纹闭合程度信息，判断是否需要再次启动所述高频冲击部件7对裂纹表面进行进一步冲击；

f 预张力释放，解除限位锁紧部件4的锁死状态，控制预张力生成部件3缓慢释放预张力，图3中最后一个状态即为放拉后的裂纹状态，利用恢复的弹性变形在闭合的裂纹面上施加残余压应力；

g 装置回收，疲劳裂纹维修作业结束后，保存数据至数据处理及计算控制单元8，切断预张开裂纹后冲击的预张锤击装置本体1的动力源，回收整套装置，结束疲劳裂纹维修作业。

本申请通过预张开裂纹后冲击的方式对钢结构疲劳裂纹进行了维修，利用放张时恢复的弹性变形在裂纹处引入了可观的残余压应力，有效地抑制了疲劳裂纹的继续扩展；通过预张开裂纹的方式，为裂纹体的塑性变形提供了足够的空间，大大改善了冲击维修的效果；同时通过对维修效果进行定量评估，极大降低了裂纹维修的不确定因素和结构二次开裂的风险。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。