預(yù)制混凝土橋梁焊接高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)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(qiáng)度焊絲增強(qiáng)材料(Welded-wire Reinforcements) 是傳統(tǒng)低碳鋼增強(qiáng)材料的替代品[1-2]。它是橋梁工字梁制造的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)加固材料，可降低施工成本。采用電阻焊接法生產(chǎn)的WWR 網(wǎng)格具有較高的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，其性能相當(dāng)于或優(yōu)于常規(guī)鋼筋。在這種情況下，交叉連接是由施加電流的壓力、強(qiáng)度和持續(xù)時間的優(yōu)化組合形成的。壓縮力、焊接電流和焊接時間是工藝優(yōu)化的控制參數(shù)。

點(diǎn)焊通常指用于定位板或用于最終焊接的其他結(jié)構(gòu)形狀的臨時小焊縫[3]。在鋼筋混凝土中，特別是在預(yù)制混凝土行業(yè)中鋼筋可以點(diǎn)焊，而不是綁扎，臨時固定一些鋼筋交叉點(diǎn)，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(huán)載荷或接近屈服的拉伸應(yīng)力的結(jié)構(gòu)會因常規(guī)焊接程序而嚴(yán)重削弱[5]，禁止用高強(qiáng)度焊絲網(wǎng)進(jìn)行鋼筋混凝土配筋時的點(diǎn)焊。

本文所做的實(shí)驗(yàn)工作包括疲勞和拉伸試驗(yàn)，以及作為高強(qiáng)度WWR 網(wǎng)格的一部分，對這些攪拌器進(jìn)行斷口和微觀結(jié)構(gòu)分析以適用于大型預(yù)制混凝土橋梁。根據(jù)梁的設(shè)計，在38MPa 的應(yīng)力范圍內(nèi)，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(yù)防措施，從一系列鋪裝式焊接接頭中隨機(jī)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(shí)測試樣本。

1 疲勞壽命評估

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

表1 化學(xué)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(jié)構(gòu)，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(yàn)前試件。此外，疲勞試驗(yàn)中還使用了一個試樣，該試樣在拆梁過程中，由于D8 導(dǎo)線從駐極體上脫落而產(chǎn)生半圓切口(圖1c)。

圖1 (a)疲勞試驗(yàn)用試樣；(b)試驗(yàn)前標(biāo)本；(c)疲勞試驗(yàn)前D8 與電焊脫離所產(chǎn)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。負(fù)載范圍為5 到20 kN，即保證抗疲勞強(qiáng)度，并符合焊接時焊接加固技術(shù)規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，采用5 ~ 10kn、5 ~15kn、5 ~ 20kn 的載荷范圍進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

2 疲勞后拉伸試驗(yàn)

為了檢測疲勞試驗(yàn)對WWR 點(diǎn)焊區(qū)強(qiáng)度和延性損失的影響，對3 個疲勞試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)直至失效。如圖2 所示，兩個電阻應(yīng)變儀的標(biāo)本檢測計長度不同，為了焊接所需的關(guān)節(jié)網(wǎng)制造(電焊) 和網(wǎng)站定位的梁(點(diǎn)焊) 不受任何影響，分別安裝捕捉點(diǎn)。圖3b、c、d 為工程應(yīng)力和延伸率的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。在每個試件上，通過點(diǎn)焊測得最大載荷下的延伸率較小，說明點(diǎn)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(yuǎn)離焊接區(qū)和焊接區(qū)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(yàn)安排和試樣斷裂

通過對先前試件的電焊和焊接區(qū)的檢測，進(jìn)一步從各種試樣中進(jìn)一步評估了疲勞損傷的存在。在此基礎(chǔ)上，采用掃描電鏡對試樣進(jìn)行了微觀斷口形貌分析，并對試樣進(jìn)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(qū)的細(xì)節(jié)。這種導(dǎo)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(qū)域。從微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)看出，這種熱壓縮接頭產(chǎn)生的小熔點(diǎn)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(qiáng)材料和殘余表面，這種材料所占據(jù)的區(qū)域一般被稱為熱影響區(qū)-熱影響區(qū)。然而，一個更準(zhǔn)確的名字是熱機(jī)械的。受影響區(qū)TMAZ，由于其經(jīng)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(jī)械影響區(qū)，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(qū)的詳細(xì)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(qū)域的電阻加熱得到的。從圖3 所示的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)可以看出，這種熱壓縮接頭產(chǎn)生的少量熔點(diǎn)被限制在一定的粘結(jié)線上，粘結(jié)線起源于增強(qiáng)材料的粘結(jié)面，并被熱塑變形材料包裹。這種材料所占的區(qū)域通常以熱影響區(qū)來表示各種電阻焊接工藝。然而，一個更準(zhǔn)確的名字是熱機(jī)械影響區(qū)，因?yàn)樗?jīng)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?yàn)橥队安牧蠌碾娋€的表面脫落而引起的。在攪拌摩擦焊接等固態(tài)焊接工藝中也發(fā)現(xiàn)了相同類型的熱機(jī)械影響區(qū)，但比例存在較大差異。

圖3 電焊區(qū)I-2 試樣的詳細(xì)情況

從宏觀上看 (圖3a, b, c)，在中間應(yīng)力范圍內(nèi)施加10.4*106 次疲勞循環(huán)對主筋的完整性沒有明顯影響。但可以看出，在D20 側(cè)焊縫毛刺形成處形成了明顯的幾何應(yīng)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(cè)以尖銳的缺口狀凝固(圖3d)，并帶有多個裂紋引發(fā)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(fā)出，這些粗晶形成于D20 的熱機(jī)械影響區(qū)(TMAZ)。盡管該組織具有疲勞開裂的傾向，但所施加的疲勞應(yīng)力不足以引發(fā)亞臨界開裂，試件在遠(yuǎn)離兩個焊接區(qū)的天然鋼筋處發(fā)生拉頸破壞。

4 結(jié)語

從高強(qiáng)度電焊D20 鋼絲增強(qiáng)材料中提取了大量含有點(diǎn)焊焊縫的試樣，并對試樣進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力范圍大于標(biāo)準(zhǔn)疲勞極限，疲勞后進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)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(xiàn)出硬化或脆化的跡象。鋼筋的強(qiáng)度和延性得到了充分的保護(hù)，拉伸破壞由遠(yuǎn)離點(diǎn)焊影響區(qū)域的延性頸縮組成。微觀斷口分析檢測到的損傷僅為點(diǎn)焊頭處產(chǎn)生的疲勞裂紋，裂紋沿熔線生長，并在熔敷金屬發(fā)生一定的撓度后停止。這涉及到，充分執(zhí)行的釘焊可以抵抗疲勞負(fù)荷高于疲勞負(fù)荷的WWR 規(guī)定的技術(shù)規(guī)范。這是由于與分析過的點(diǎn)焊相比，在電焊中工作的疲勞微觀機(jī)制發(fā)展得更快，并導(dǎo)致WWR 的早期損傷。