喬為國

（重慶市設(shè)計院重慶400015）

焊接熱對箍筋焊接加固法的影響分析

喬為國

（重慶市設(shè)計院重慶400015）

在公路橋梁改造工程中，時常需對拱上立柱進(jìn)行加寬加固。箍筋焊接加固法是拱上立柱常用的加固方法，該方法是先鑿出舊立柱與箍筋對應(yīng)處混凝土，使舊立柱箍筋外露，將新立柱箍筋與舊立柱箍筋通過焊接聯(lián)結(jié)，再澆筑新立柱混凝土。在施工過程中，焊接過程中的高溫容易對舊立柱造成損傷，使得加固后的立柱承載能力降低。因此，研究焊接熱對立柱承載能力的影響顯得尤為重要。

1 箍筋焊接加固法的構(gòu)造措施

某公路橋梁拱上立柱截面如圖1所示，新舊立柱間通過箍筋焊接保證聯(lián)結(jié)可靠。舊立柱在加寬一側(cè)須鑿出約3.5cm厚的混凝土，露出舊立柱的箍筋，新立柱箍筋與原箍筋雙面焊接（焊接長度為10cm），箍筋間距同舊立柱的箍筋間距，施工時可根據(jù)實際情況調(diào)整。鑿出舊立柱混凝土施工時應(yīng)盡量減少對舊立柱的損傷；箍筋焊接時，應(yīng)盡量減少焊接熱對舊立柱及鋼筋的影響。

圖1 箍筋焊接加固法

2 焊接熱對箍筋焊接加固法的影響分析

2.1 箍筋焊接加固法的有限元模擬

通過大型結(jié)構(gòu)有限元程序ABAQUS對箍筋焊接加固立柱進(jìn)行受載全過程分析，研究考慮焊接熱影響立柱在軸心受壓荷載作用下的力學(xué)行為及破壞規(guī)律。

圖2 模型示意圖

2.1.1 模型單元的選取

新舊立柱采用C3D8實體單元，即八節(jié)點線性六面體完全積分單元；鋼筋（包括受壓鋼筋、箍筋、植筋等）采用T3D2單元，即兩結(jié)點線性三維桁架單元。

鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系通過鋼筋埋入(Embedded)混凝土C3D 8單元中來模擬。

2.1.2 模型材料的選取

鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性雙直線模型，上升段的斜率為鋼筋的彈性模量即ES=200GPa，屈服應(yīng)力fy=210MPa，對應(yīng)的屈服應(yīng)變?yōu)?.001，水平段鋼筋的應(yīng)力不變，鋼筋破壞時應(yīng)變?yōu)?.006。

圖3 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性本構(gòu)模型。當(dāng)σ＜0.8fc時，為彈性階段，該段斜率為混凝土的彈性模量Ec=30GPa；當(dāng)σ＞0.8fc時，混凝土進(jìn)入塑性階段，極限壓應(yīng)力fc=20.1MPa，峰值壓應(yīng)變?yōu)?.002；越過峰值點后，混凝土進(jìn)入下降段，極限壓應(yīng)變?yōu)?.0035。

圖4 混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系

2.2 焊熱對舊混凝土損傷的模擬

箍筋焊接加固法，箍筋的焊接會產(chǎn)生很高的溫度，會對舊立柱的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，模型中需要考慮焊熱對混凝土強(qiáng)度的影響。

通過ABAQUS建立有限元模型，在舊立柱表面中心A點施加2000OC的焊接溫度（見圖5），研究舊混凝土立柱內(nèi)部溫度分布情況。

圖5 焊接熱影響區(qū)域模型

混凝土相關(guān)參數(shù)取為：傳導(dǎo)率1.25W/(m·K)；密度2400kg/m3；彈性模量30GPa；膨脹系數(shù)1E-05；比熱1005J/(kg·OC)。

圖6 沿寬度B和長度L方向溫度分布曲線

圖7 沿高度H方向溫度分布曲線

可見，沿寬度B方向，焊熱影響區(qū)域有8cm；沿長度L方向，焊熱影響區(qū)域有0.135 cm；沿高度H方向，焊熱影響區(qū)域有3cm。

根據(jù)溫度分布：300～1000OC和1000～2000OC將模型中焊熱的影響范圍模擬成兩部分：區(qū)域Ⅰ為高為10cm，半徑R=10mm的半柱體，該部分考慮混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)0.85，彈性模量折減系數(shù)0.7；區(qū)域Ⅱ為高為10cm，內(nèi)徑10mm，外徑40mm的半環(huán)柱體，該部分考慮混凝土抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)0.3，彈性模量折減系數(shù)0.3（如圖8、圖9）。

圖8 焊接熱影響區(qū)域示意圖

圖9 焊接熱影響范圍示意圖

圖10 舊立柱開始進(jìn)入塑性階段時斷面塑性應(yīng)變圖

圖11 新立柱開始進(jìn)入塑性階段時斷面塑性應(yīng)變圖

圖12 新舊立柱橫斷面塑性應(yīng)變發(fā)展圖

圖13 新舊立柱橫斷面塑性應(yīng)變發(fā)展圖

2.3 受焊熱影響立柱受載全過程分析

從圖12可以看出，舊立柱焊熱影響區(qū)（即1區(qū)）混凝土最先進(jìn)入塑性階段，這是由于混凝土受焊熱的影響，彈性模量和抗壓強(qiáng)度降低的緣故。隨著荷載的增加，塑性應(yīng)變擴(kuò)展到2區(qū)；當(dāng)荷載增加到一定程度時，塑性應(yīng)變擴(kuò)展到3區(qū)。同時，新立柱與舊立柱焊熱影響區(qū)對應(yīng)區(qū)域開始出現(xiàn)塑性變形（即新立柱的3區(qū)）。

從圖13可以看出，塑性應(yīng)變最先出現(xiàn)在舊立柱中部焊熱影響區(qū)，接著，焊熱影響區(qū)之間塑性變形呈拱狀發(fā)展，即出現(xiàn)區(qū)域1；隨著荷載的增加，塑性區(qū)域繼續(xù)沿著焊熱影響區(qū)之間的拱形發(fā)展，即出現(xiàn)區(qū)域2。同時，新立柱在與焊熱影響區(qū)對應(yīng)位置開始出現(xiàn)塑性變形；隨著荷載進(jìn)一步增大，新立柱塑性區(qū)域從2區(qū)向3區(qū)發(fā)展，同時，又在上下側(cè)焊熱影響區(qū)對應(yīng)位置出現(xiàn)塑性變形。

3 結(jié)論

箍筋焊接加固法中，箍筋焊接熱造成舊立柱局部焊熱影響區(qū)域混凝土損傷，混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度降低，形成局部薄弱區(qū)域。隨著荷載的增加，薄弱區(qū)域率先破壞，破壞區(qū)域退出工作，立柱有效截面減小，破壞區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致立柱的破壞。因此，箍筋焊接熱將造成對原有混凝土的損傷，使得立柱承載能力降低，設(shè)計施工時應(yīng)采取特別措施，盡量減小焊接熱對立柱力學(xué)性能的影響。

[1]石亦平等．ABAQUS有限元分析實例詳解[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]方秦等.ABAQUS混凝土損傷塑性模型的靜力性能分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2007，8(3)：254-260.

[3]王麗等．基于ABAQUS的混凝土梁受彎破壞實驗非線性分析[J]．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(1)：64-67.

[4]王素裹等．ABAQUS顯式分析方法在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(16)：4688-4692.

[5]王金昌等．ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].2006.

[6]肖忠群等.TIG焊熱影響區(qū)溫度場的有限元分析[J]．南京航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997，(2)：19-25.

[7]王振清等.火災(zāi)下鋼筋混凝土熱彈塑性徐變本構(gòu)方程研究[J]．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2010，31(2)：202-207.

[8]海燕等.混凝土熱力學(xué)特性和收縮特性的宏細(xì)觀研究. [J]．水電能源科學(xué)，2010，28(1)：97-100.

[9]HU Hai-tao，DONG Yu-li，LIU Y i–lin.Testof Highstrength Concrete in or after High Temperature[J].China Concreteand CementProducts.2004-01

[10]Experimental study on biaxialmechanical behavior of concrete suffered high temperature and constitutive model[J]. Journalof Harbin Instituteof Technology.2008

責(zé)任編輯：余詠梅

Jointing Heat Influence on HoopingW elding Reinforcement

本文針對拱上立柱常見的箍筋焊接加固法，通過ABAQUS大型有限元軟件，對受焊接熱影響的立柱力學(xué)性能進(jìn)行全過程分析，得出考慮了焊接熱影響的立柱破壞規(guī)律，對實際工程具有借鑒意義。

焊接熱；箍筋焊接加固法；影響分析

This paper，which focuseson the common used hoopingwelding reinforcement，conductsa complete analysisconcerning themechanics performance bymaking use of ABAQUS large-scale finite element software.And a conclusion is drawn that isof value to the relevanton-the-spot personnel.

jointing heat；hoopingwelding reinforcement；analysis

TU 755

A

1671-9107（2012）02-0026-04

10.3969／j.issn.1671-

9107.201 2.2.026

作者簡介：喬為國（1980-），男，漢族，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。