預制混凝土橋梁焊接高強鋼絲網的疲勞壽命評估

陳 俊 楊俊生

（南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226000）

高強度焊絲增強材料(Welded-wire Reinforcements) 是傳統低碳鋼增強材料的替代品[1-2]。它是橋梁工字梁制造的標準結構加固材料，可降低施工成本。采用電阻焊接法生產的WWR 網格具有較高的質量控制標準，其性能相當于或優于常規鋼筋。在這種情況下，交叉連接是由施加電流的壓力、強度和持續時間的優化組合形成的。壓縮力、焊接電流和焊接時間是工藝優化的控制參數。

點焊通常指用于定位板或用于最終焊接的其他結構形狀的臨時小焊縫[3]。在鋼筋混凝土中，特別是在預制混凝土行業中鋼筋可以點焊，而不是綁扎，臨時固定一些鋼筋交叉點，并因此在混凝土澆筑前固定其要求的位置[4]。然而，承受循環載荷或接近屈服的拉伸應力的結構會因常規焊接程序而嚴重削弱[5]，禁止用高強度焊絲網進行鋼筋混凝土配筋時的點焊。

本文所做的實驗工作包括疲勞和拉伸試驗，以及作為高強度WWR 網格的一部分，對這些攪拌器進行斷口和微觀結構分析以適用于大型預制混凝土橋梁。根據梁的設計，在38MPa 的應力范圍內，其受壓翼緣受典型作用的極限組合，能夠在拉載下荷載作用下工作。在梁的制造過程中，采用了焊接接頭來固定鋼筋的位置。作為預防措施，從一系列鋪裝式焊接接頭中隨機選取一根可供使用的i 形梁，以獲得包含這兩種十字形焊接接頭的真實測試樣本。

1 疲勞壽命評估

疲勞試驗用試樣取自拆除的工字梁下翼緣箍筋即WWR網的主抗筋，材料為A615 級75 鋼[6]，化學成分及等效碳含量Ceq 表1 所示。

表1 化學成分及碳含量(重量百分比)

每個測試樣本由一根長度約為400 毫米的D20 鋼筋肋絲組成，并由兩個十字形焊縫將其與D4 和D8 連接起來。圖1a 展示了測試試樣的總體結構，其尺寸如表2 所示。兩個焊縫之間的距離大于24mm，保證它們不會相互影響。圖1b 為疲勞試驗前試件。此外，疲勞試驗中還使用了一個試樣，該試樣在拆梁過程中，由于D8 導線從駐極體上脫落而產生半圓切口(圖1c)。

圖1 (a)疲勞試驗用試樣；(b)試驗前標本；(c)疲勞試驗前D8 與電焊脫離所產生的奇異的半圓柱形缺口試樣

在軸向載荷為100kN 的伺服液壓試驗機上進行了疲勞試驗。負載范圍為5 到20 kN，即保證抗疲勞強度，并符合焊接時焊接加固技術規范。在此基礎上，采用5 ~ 10kn、5 ~15kn、5 ~ 20kn 的載荷范圍進行疲勞試驗。

2 疲勞后拉伸試驗

為了檢測疲勞試驗對WWR 點焊區強度和延性損失的影響，對3 個疲勞試件進行了拉伸試驗直至失效。如圖2 所示，兩個電阻應變儀的標本檢測計長度不同，為了焊接所需的關節網制造(電焊) 和網站定位的梁(點焊) 不受任何影響，分別安裝捕捉點。圖3b、c、d 為工程應力和延伸率的拉伸試驗結果。在每個試件上，通過點焊測得最大載荷下的延伸率較小，說明點焊對箍筋整體拉伸性能的局部影響。

3 物理疲勞損傷分析

圖2 遠離焊接區和焊接區的試件疲勞后載荷-伸長率曲線：(b)I-1；(c)I-2；(d)i*-4；(a)拉伸試驗安排和試樣斷裂

通過對先前試件的電焊和焊接區的檢測，進一步從各種試樣中進一步評估了疲勞損傷的存在。在此基礎上，采用掃描電鏡對試樣進行了微觀斷口形貌分析，并對試樣進行了表面拋光處理和2%的蝕刻處理。

圖3 顯示了試件電焊區的細節。這種導線接頭(圖3a)是通過電阻加熱得到的。g 在電線壓縮之前和期間接觸區域。從微結構細節看出，這種熱壓縮接頭產生的小熔點是共熔的。粘在一條確定的粘合線上，這條線起源于由熱塑性變形材料包裹的增強材料和殘余表面，這種材料所占據的區域一般被稱為熱影響區-熱影響區。然而，一個更準確的名字是熱機械的。受影響區TMAZ，由于其經歷的熱變形過程。這些過程不可避免地伴隨著排程后毛刺的形成。電線表面的投影材料。同樣類型的熱機械影響區，雖然比例大不相同，但在攪拌摩擦焊接中卻是存在的。

圖3 為試樣電焊區的詳細情況。這個十字絲接頭(圖3a) 是在壓縮之前和期間，通過接觸區域的電阻加熱得到的。從圖3 所示的微觀結構細節可以看出，這種熱壓縮接頭產生的少量熔點被限制在一定的粘結線上，粘結線起源于增強材料的粘結面，并被熱塑變形材料包裹。這種材料所占的區域通常以熱影響區來表示各種電阻焊接工藝。然而，一個更準確的名字是熱機械影響區，因為它經歷了熱和變形過程。這些涉及的過程不可避免地伴隨著毛刺的形成，因為投影材料從電線的表面脫落而引起的。在攪拌摩擦焊接等固態焊接工藝中也發現了相同類型的熱機械影響區，但比例存在較大差異。

圖3 電焊區I-2 試樣的詳細情況

從宏觀上看 (圖3a, b, c)，在中間應力范圍內施加10.4*106 次疲勞循環對主筋的完整性沒有明顯影響。但可以看出，在D20 側焊縫毛刺形成處形成了明顯的幾何應力集中器。特別是，熔融和塑化金屬的拉出混合物在電焊的右側以尖銳的缺口狀凝固(圖3d)，并帶有多個裂紋引發劑。在高倍鏡下，他們被檢測到從維德曼斯塔滕組織(圖3e) 的粗晶中發出，這些粗晶形成于D20 的熱機械影響區(TMAZ)。盡管該組織具有疲勞開裂的傾向，但所施加的疲勞應力不足以引發亞臨界開裂，試件在遠離兩個焊接區的天然鋼筋處發生拉頸破壞。

4 結語

從高強度電焊D20 鋼絲增強材料中提取了大量含有點焊焊縫的試樣，并對試樣進行了疲勞試驗，疲勞試驗的應力范圍大于標準疲勞極限，疲勞后進行了拉伸試驗。試驗表明，D20 鋼筋的抗拉承載力沒有受到疲勞損傷的影響。試樣的拉伸行為沒有表現出硬化或脆化的跡象。鋼筋的強度和延性得到了充分的保護，拉伸破壞由遠離點焊影響區域的延性頸縮組成。微觀斷口分析檢測到的損傷僅為點焊頭處產生的疲勞裂紋，裂紋沿熔線生長，并在熔敷金屬發生一定的撓度后停止。這涉及到，充分執行的釘焊可以抵抗疲勞負荷高于疲勞負荷的WWR 規定的技術規范。這是由于與分析過的點焊相比，在電焊中工作的疲勞微觀機制發展得更快，并導致WWR 的早期損傷。