焊接熱對箍筋焊接加固法的影響分析

喬為國

（重慶市設計院重慶400015）

焊接熱對箍筋焊接加固法的影響分析

喬為國

（重慶市設計院重慶400015）

在公路橋梁改造工程中，時常需對拱上立柱進行加寬加固。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結，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結可靠。舊立柱在加寬一側須鑿出約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，施工時可根據實際情況調整。鑿出舊立柱混凝土施工時應盡量減少對舊立柱的損傷；箍筋焊接時，應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

通過大型結構有限元程序ABAQUS對箍筋焊接加固立柱進行受載全過程分析，研究考慮焊接熱影響立柱在軸心受壓荷載作用下的力學行為及破壞規律。

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，即兩結點線性三維桁架單元。

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

2.1.2 模型材料的選取

鋼筋本構關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，屈服應力fy=210MPa，對應的屈服應變為0.001，水平段鋼筋的應力不變，鋼筋破壞時應變為0.006。

圖3 鋼筋本構關系

混凝土受壓本構關系采用彈塑性本構模型。當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σ＞0.8fc時，混凝土進入塑性階段，極限壓應力fc=20.1MPa，峰值壓應變為0.002；越過峰值點后，混凝土進入下降段，極限壓應變為0.0035。

圖4 混凝土受壓本構關系

2.2 焊熱對舊混凝土損傷的模擬

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

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部溫度分布情況。

圖5 焊接熱影響區域模型

混凝土相關參數取為：傳導率1.25W/(m·K)；密度2400kg/m3；彈性模量30GPa；膨脹系數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，焊熱影響區域有8cm；沿長度L方向，焊熱影響區域有0.135 cm；沿高度H方向，焊熱影響區域有3cm。

根據溫度分布：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度折減系數0.85，彈性模量折減系數0.7；區域Ⅱ為高為10cm，內徑10mm，外徑40mm的半環柱體，該部分考慮混凝土抗壓強度折減系數0.3，彈性模量折減系數0.3（如圖8、圖9）。

圖8 焊接熱影響區域示意圖

圖9 焊接熱影響范圍示意圖

圖10 舊立柱開始進入塑性階段時斷面塑性應變圖

圖11 新立柱開始進入塑性階段時斷面塑性應變圖

圖12 新舊立柱橫斷面塑性應變發展圖

圖13 新舊立柱橫斷面塑性應變發展圖

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（即1區）混凝土最先進入塑性階段，這是由于混凝土受焊熱的影響，彈性模量和抗壓強度降低的緣故。隨著荷載的增加，塑性應變擴展到2區；當荷載增加到一定程度時，塑性應變擴展到3區。同時，新立柱與舊立柱焊熱影響區對應區域開始出現塑性變形（即新立柱的3區）。

從圖13可以看出，塑性應變最先出現在舊立柱中部焊熱影響區，接著，焊熱影響區之間塑性變形呈拱狀發展，即出現區域1；隨著荷載的增加，塑性區域繼續沿著焊熱影響區之間的拱形發展，即出現區域2。同時，新立柱在與焊熱影響區對應位置開始出現塑性變形；隨著荷載進一步增大，新立柱塑性區域從2區向3區發展，同時，又在上下側焊熱影響區對應位置出現塑性變形。

3 結論

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域混凝土損傷，混凝土彈性模量和抗壓強度降低，形成局部薄弱區域。隨著荷載的增加，薄弱區域率先破壞，破壞區域退出工作，立柱有效截面減小，破壞區域不斷擴大，最終導致立柱的破壞。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，設計施工時應采取特別措施，盡量減小焊接熱對立柱力學性能的影響。

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責任編輯：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性能進行全過程分析，得出考慮了焊接熱影響的立柱破壞規律，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，主要從事橋梁結構設計工作。