焊接热对箍筋焊接加固法的影响分析

乔为国

（重庆市设计院重庆400015）

焊接热对箍筋焊接加固法的影响分析

乔为国

（重庆市设计院重庆400015）

在公路桥梁改造工程中，时常需对拱上立柱进行加宽加固。箍筋焊接加固法是拱上立柱常用的加固方法，该方法是先凿出旧立柱与箍筋对应处混凝土，使旧立柱箍筋外露，将新立柱箍筋与旧立柱箍筋通过焊接联结，再浇筑新立柱混凝土。在施工过程中，焊接过程中的高温容易对旧立柱造成损伤，使得加固后的立柱承载能力降低。因此，研究焊接热对立柱承载能力的影响显得尤为重要。

1 箍筋焊接加固法的构造措施

某公路桥梁拱上立柱截面如图1所示，新旧立柱间通过箍筋焊接保证联结可靠。旧立柱在加宽一侧须凿出约3.5cm厚的混凝土，露出旧立柱的箍筋，新立柱箍筋与原箍筋双面焊接（焊接长度为10cm），箍筋间距同旧立柱的箍筋间距，施工时可根据实际情况调整。凿出旧立柱混凝土施工时应尽量减少对旧立柱的损伤；箍筋焊接时，应尽量减少焊接热对旧立柱及钢筋的影响。

图1 箍筋焊接加固法

2 焊接热对箍筋焊接加固法的影响分析

2.1 箍筋焊接加固法的有限元模拟

通过大型结构有限元程序ABAQUS对箍筋焊接加固立柱进行受载全过程分析，研究考虑焊接热影响立柱在轴心受压荷载作用下的力学行为及破坏规律。

图2 模型示意图

2.1.1 模型单元的选取

新旧立柱采用C3D8实体单元，即八节点线性六面体完全积分单元；钢筋（包括受压钢筋、箍筋、植筋等）采用T3D2单元，即两结点线性三维桁架单元。

钢筋和混凝土之间的粘结关系通过钢筋埋入(Embedded)混凝土C3D 8单元中来模拟。

2.1.2 模型材料的选取

钢筋本构关系采用弹塑性双直线模型，上升段的斜率为钢筋的弹性模量即ES=200GPa，屈服应力fy=210MPa，对应的屈服应变为0.001，水平段钢筋的应力不变，钢筋破坏时应变为0.006。

图3 钢筋本构关系

混凝土受压本构关系采用弹塑性本构模型。当σ＜0.8fc时，为弹性阶段，该段斜率为混凝土的弹性模量Ec=30GPa；当σ＞0.8fc时，混凝土进入塑性阶段，极限压应力fc=20.1MPa，峰值压应变为0.002；越过峰值点后，混凝土进入下降段，极限压应变为0.0035。

图4 混凝土受压本构关系

2.2 焊热对旧混凝土损伤的模拟

箍筋焊接加固法，箍筋的焊接会产生很高的温度，会对旧立柱的强度产生影响。因此，模型中需要考虑焊热对混凝土强度的影响。

通过ABAQUS建立有限元模型，在旧立柱表面中心A点施加2000OC的焊接温度（见图5），研究旧混凝土立柱内部温度分布情况。

图5 焊接热影响区域模型

混凝土相关参数取为：传导率1.25W/(m·K)；密度2400kg/m3；弹性模量30GPa；膨胀系数1E-05；比热1005J/(kg·OC)。

图6 沿宽度B和长度L方向温度分布曲线

图7 沿高度H方向温度分布曲线

可见，沿宽度B方向，焊热影响区域有8cm；沿长度L方向，焊热影响区域有0.135 cm；沿高度H方向，焊热影响区域有3cm。

根据温度分布：300～1000OC和1000～2000OC将模型中焊热的影响范围模拟成两部分：区域Ⅰ为高为10cm，半径R=10mm的半柱体，该部分考虑混凝土抗压强度折减系数0.85，弹性模量折减系数0.7；区域Ⅱ为高为10cm，内径10mm，外径40mm的半环柱体，该部分考虑混凝土抗压强度折减系数0.3，弹性模量折减系数0.3（如图8、图9）。

图8 焊接热影响区域示意图

图9 焊接热影响范围示意图

图10 旧立柱开始进入塑性阶段时断面塑性应变图

图11 新立柱开始进入塑性阶段时断面塑性应变图

图12 新旧立柱横断面塑性应变发展图

图13 新旧立柱横断面塑性应变发展图

2.3 受焊热影响立柱受载全过程分析

从图12可以看出，旧立柱焊热影响区（即1区）混凝土最先进入塑性阶段，这是由于混凝土受焊热的影响，弹性模量和抗压强度降低的缘故。随着荷载的增加，塑性应变扩展到2区；当荷载增加到一定程度时，塑性应变扩展到3区。同时，新立柱与旧立柱焊热影响区对应区域开始出现塑性变形（即新立柱的3区）。

从图13可以看出，塑性应变最先出现在旧立柱中部焊热影响区，接着，焊热影响区之间塑性变形呈拱状发展，即出现区域1；随着荷载的增加，塑性区域继续沿着焊热影响区之间的拱形发展，即出现区域2。同时，新立柱在与焊热影响区对应位置开始出现塑性变形；随着荷载进一步增大，新立柱塑性区域从2区向3区发展，同时，又在上下侧焊热影响区对应位置出现塑性变形。

3 结论

箍筋焊接加固法中，箍筋焊接热造成旧立柱局部焊热影响区域混凝土损伤，混凝土弹性模量和抗压强度降低，形成局部薄弱区域。随着荷载的增加，薄弱区域率先破坏，破坏区域退出工作，立柱有效截面减小，破坏区域不断扩大，最终导致立柱的破坏。因此，箍筋焊接热将造成对原有混凝土的损伤，使得立柱承载能力降低，设计施工时应采取特别措施，尽量减小焊接热对立柱力学性能的影响。

[1]石亦平等．ABAQUS有限元分析实例详解[M]．北京：机械工业出版社，2006.

[2]方秦等.ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析[J].解放军理工大学学报，2007，8(3)：254-260.

[3]王丽等．基于ABAQUS的混凝土梁受弯破坏实验非线性分析[J]．土木建筑工程信息技术，2010，2(1)：64-67.

[4]王素裹等．ABAQUS显式分析方法在钢筋混凝土结构中的应用[J]．科学技术与工程，2009，9(16)：4688-4692.

[5]王金昌等．ABAQUS在土木工程中的应用[M].2006.

[6]肖忠群等.TIG焊热影响区温度场的有限元分析[J]．南京航空工业学院学报，1997，(2)：19-25.

[7]王振清等.火灾下钢筋混凝土热弹塑性徐变本构方程研究[J]．哈尔滨工程大学学报，2010，31(2)：202-207.

[8]海燕等.混凝土热力学特性和收缩特性的宏细观研究. [J]．水电能源科学，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

责任编辑：余咏梅

Jointing Heat Influence on HoopingW elding Reinforcement

本文针对拱上立柱常见的箍筋焊接加固法，通过ABAQUS大型有限元软件，对受焊接热影响的立柱力学性能进行全过程分析，得出考虑了焊接热影响的立柱破坏规律，对实际工程具有借鉴意义。

焊接热；箍筋焊接加固法；影响分析

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

作者简介：乔为国（1980-），男，汉族，工程师，主要从事桥梁结构设计工作。