基于控制變量法的地下連續(xù)墻鋼筋籠焊接裂紋分析*

方能榕,余國梁,吳劍秋,林志龍,管恩山

(中國建筑第八工程局有限公司,上海 201200)

0 引言

地下連續(xù)墻鋼筋籠因其噸位大,在整個(gè)鋼筋籠起吊過程中,會(huì)因各種因素引起鋼筋籠受力不均,從而造成鋼筋籠的應(yīng)力不同,如應(yīng)力集中的部位焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo),則極易產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致質(zhì)量或安全問題發(fā)生[1-3]。

本文依托某地鐵車站工程,對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠焊接后產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象進(jìn)行研究,采用控制變量法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析,確定了后續(xù)施工過程管控要點(diǎn),保證地下連續(xù)墻吊裝順利進(jìn)行。

1 工程概況

本地鐵車站工程基坑開挖深度約24m,地下3層結(jié)構(gòu),地下連續(xù)墻最大深度約50m,相鄰接縫采用型鋼結(jié)構(gòu),鋼材等級(jí)為Q235B,鋼筋籠采用HRB400螺紋鋼。地下連續(xù)墻鋼筋籠分為“一”字形幅、“L”形幅、“T”形幅、“Z”形幅4種類型。地下連續(xù)墻鋼筋籠豎向主筋為φ28@200,水平鋼筋為φ22@200mm。縱向桁架通長筋規(guī)格為φ32,采用“W”形斜桿筋,角度為45°,與通長筋搭接焊焊縫長度為100mm。標(biāo)準(zhǔn)段6m寬鋼筋籠最重約52.8t。

本文涉及的鋼筋籠長度為43.8m。鋼筋籠桁架通常筋與斜桿筋采用焊接方式連接,雙面施焊,焊接長度為100mm,焊條設(shè)計(jì)要求采用E50系列,現(xiàn)場采用焊條為J502[4-6],為酸性焊條,焊接質(zhì)量滿足焊縫三級(jí)要求即可?！痘炷两Y(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收手冊》規(guī)定,焊接接頭區(qū)域不得有肉眼可見裂紋[7]。桁架與斜桿筋連接方式如圖1所示。

圖1 桁架與斜桿筋連接示意

2 焊接裂縫變量分析

2.1 焊接裂紋發(fā)現(xiàn)及原因分析

該項(xiàng)目地下連續(xù)墻施工初期,在一次地下連續(xù)墻鋼筋籠桁架驗(yàn)收時(shí),發(fā)現(xiàn)鋼筋籠通長筋與斜桿筋焊縫中間位置出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象,后加大抽查比例,發(fā)現(xiàn)整幅桁架多處焊縫位置出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象(見圖2)。

圖2 鋼筋焊接裂紋

施工現(xiàn)場鋼筋焊接產(chǎn)生裂紋的主要影響因素有環(huán)境溫度、天氣情況、焊接材料、電流、焊接方式等[8],采用肉眼和著色探傷的方法對(duì)該幅鋼筋籠斷裂情況進(jìn)行了系統(tǒng)檢查記錄,并將裂縫部位鋼筋斷面切割,進(jìn)行初步的宏觀判斷,具體情況如下:①焊縫多出現(xiàn)在焊縫較靠中間位置,單面出現(xiàn)裂縫較多,極少雙面均出現(xiàn)裂紋;②通過截?cái)噤摻羁v斷面未見明顯貫穿裂紋,裂紋較淺;③裂縫表面無金屬光澤且沿焊縫軸向呈縱向條形分布,初步判斷為熱裂紋(見圖3,4)。

圖4 著色探傷裂紋示意

結(jié)合施工時(shí)現(xiàn)場環(huán)境、條件及裂紋狀態(tài)綜合考慮,判斷產(chǎn)生裂紋的主要原因?yàn)楹附硬牧稀⒑附与娏骰蚝附臃绞?為保障后續(xù)施工質(zhì)量控制,決定采用控制變量法對(duì)焊接電流及焊接方式進(jìn)行逐一試驗(yàn)論證其影響效果[9]。

2.2 控制變量法

物理學(xué)中對(duì)于多因素(多變量)問題,常常采用控制因素(變量)的方法,將多因素問題變成多個(gè)單因素問題。每次只改變其中的某個(gè)因素,而控制其余幾個(gè)因素不變,從而研究被改變的此因素對(duì)事物的影響,分別加以研究,最后再綜合解決,這種方法即控制變量法。它是科學(xué)探究中的重要思想方法,廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中[10]。

本文通過控制焊接水平、縱向施焊方向及電流大小,合理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出相關(guān)結(jié)論。

2.3 變量分析法

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘察及焊接件坡面觀察,裂紋沿焊縫呈縱向分布(連續(xù)或斷續(xù)),均在焊縫中間位置,形狀規(guī)則,除縱向平齊條形裂縫,無其他方向樹杈型斷裂,較符合液膜分離特性;裂口均有較明顯的氧化色彩,表面無光澤,基本滿足熱裂紋產(chǎn)生后的特征,因此判斷裂紋性質(zhì)為熱裂紋[11]。

產(chǎn)生熱裂紋的因素主要有焊接材料(焊條和鋼筋原材)、焊接方向、焊接電流。

焊接材料:在查勘過程中發(fā)現(xiàn),鋼筋原材主要有2個(gè)廠家,焊條均為1個(gè)廠家,為J502焊條。經(jīng)過對(duì)鋼筋原材的化學(xué)成分分析、熔敷金屬、焊縫位置(原材和焊條的混合物)3項(xiàng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)S,P等非金屬夾雜物的含量均在規(guī)范要求范圍內(nèi),因此排除了該因素。

焊接方向:經(jīng)向操作人員調(diào)查了解發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場操作人員進(jìn)行電弧焊焊接時(shí),焊接方向并不相同。現(xiàn)場進(jìn)行桁架通長筋和斜桿筋焊接時(shí)主要焊接方式為平焊,操作人員焊接方向分為2種:從左到右和從右到左,即焊接時(shí)有的操作工人焊接方向始終對(duì)著熔池方向(從左往右),而有的操作工人則相反(從右往左)。

焊接電流:現(xiàn)場勘察過程中發(fā)現(xiàn)了另一變量即焊接電流?，F(xiàn)場在施焊過程中,焊機(jī)對(duì)應(yīng)的電流大小不一,最小電流為180A,最大電流達(dá)到260A,而現(xiàn)場采用焊條說明上明確規(guī)定的焊接電流大小為210A。

3 鋼筋焊縫試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

通過上述調(diào)查、試驗(yàn)及分析,基本排除了焊接材料方面原因。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,發(fā)現(xiàn)2個(gè)變量可能產(chǎn)生焊接裂紋,即焊接方向和焊接電流。為了驗(yàn)證猜想,通過控制變量法進(jìn)行進(jìn)一步分析:①確定焊接方向,改變焊接電流大小進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測;②確定電流大小,改變焊接方向進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測;③由同一工人進(jìn)行操作,排除人為差別。

檢測內(nèi)容為拉伸性能、硬度試驗(yàn)、焊縫寬度、深度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)。確定分析方法后,開始進(jìn)行試件制作。因現(xiàn)場焊接位置除了平焊外,還涉及立焊,為增加對(duì)比數(shù)量,焊接位置采取平焊和立焊2種方式,焊接電流根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采取上下浮動(dòng)方式,平焊選擇160,200,240A,立焊選擇120,160,200A。焊縫長度統(tǒng)一,速度大致相等,同一焊接工人焊接φ32和φ28鋼筋。

拉伸試驗(yàn):單面焊接試樣長度為5d+焊接長度+2×夾持長度;雙面焊接試樣長度為8d+焊接長度+2×夾持長度;鋼筋直徑≤20mm時(shí),夾持長度宜為 70～90mm, 直徑>20mm時(shí),夾持長度宜為90～120mm。

焊縫寬度、深度/金相試驗(yàn)/硬度試驗(yàn):1個(gè)試件焊縫長度均勻切割3段,分別進(jìn)行上述3個(gè)試驗(yàn),其中金相試驗(yàn)要求查看3個(gè)區(qū)域,即原材區(qū)、焊縫區(qū)及熱影響區(qū);硬度試驗(yàn)查看4個(gè)區(qū)域,即原材區(qū)、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及熱影響區(qū)周邊,每個(gè)區(qū)域查看4個(gè)點(diǎn),每點(diǎn)間距5mm。

拉伸試驗(yàn)試件焊接飽滿,雙層焊接;其余試件焊接1層即可。

焊接試件編碼及代號(hào)分別表示施焊方向及電流大小,如表1所示。焊接完成試件如圖5所示。

表1 焊接試件編碼方式

圖5 焊接試件完成

3.2 焊縫試驗(yàn)

采用冷酸法對(duì)試樣進(jìn)行低倍宏觀檢驗(yàn),觀察各試樣焊縫及熱影響區(qū)外觀情況。維氏硬度測試位置如圖6所示:A,B,I,J為母材區(qū),C,D,G,H為熱影響區(qū),E,F為焊縫區(qū),其中A,I測試位置為距離鋼筋中心1/2半徑外,B,J測試位置為距離鋼筋中心1/2半徑內(nèi)?？刂谱兞吭囼?yàn)組如表2所示,焊接試件低倍宏觀及維氏硬度典型結(jié)果如表3所示,焊接試件組織分析典型結(jié)果如表4所示。

表2 控制變量試驗(yàn)組

表3 焊接試件低倍宏觀及維氏硬度典型結(jié)果

圖6 維氏硬度測試位置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)在鋼筋平焊時(shí),160,200,240A電流下,施焊方向不同,鋼筋焊縫部位并未產(chǎn)生肉眼可見裂紋及未熔合等缺陷,但在拉伸試驗(yàn)中可看出,200A電流下平焊的焊縫抗拉強(qiáng)度較160,240A穩(wěn)定性高,未出現(xiàn)焊縫脫開情況,且3個(gè)試驗(yàn)批次的鋼筋抗拉強(qiáng)度較統(tǒng)一,均一性更好。

2)在鋼筋立焊時(shí),試件編號(hào)“L-D-U-160A”及“L-D-U-200A”均出現(xiàn)不同程度的焊接缺陷,由組織分析及拉伸試驗(yàn)中可看出,立焊時(shí)由上至下焊接遠(yuǎn)沒有由下至上焊接的抗拉強(qiáng)度高,焊縫質(zhì)量好。對(duì)比由下至上立焊120,160,200A電流條件下,L-D-U-200A 3組試件的試驗(yàn)結(jié)果最好,焊接質(zhì)量最高。

根據(jù)上述試驗(yàn)分析及結(jié)果判斷,鋼筋對(duì)接焊接時(shí),平焊由左至右、立焊由下至上且穩(wěn)定在200A時(shí),對(duì)鋼筋焊縫質(zhì)量控制較好,焊接后的鋼筋抗拉強(qiáng)度較高。

4 焊接施工工藝改進(jìn)

針對(duì)該幅地下連續(xù)墻部分鋼筋焊縫裂紋處,先采用角磨機(jī)對(duì)焊縫位置進(jìn)行打磨,打磨至表面平整光滑,無肉眼可見裂紋、氣孔,后重新補(bǔ)焊1道,直至焊縫高度滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié),后續(xù)鋼筋籠施工對(duì)現(xiàn)場焊接工人進(jìn)行逐一交底,并進(jìn)行焊接技能考試,篩選出技能相對(duì)熟練、經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的焊接工人,嚴(yán)格要求在鋼筋籠焊接過程中電流控制在200A,且遵循平焊由左至右、立焊由下至上的焊接順序。鋼筋籠相關(guān)節(jié)點(diǎn)焊接完成冷卻后,加大節(jié)點(diǎn)焊縫位置抽查頻次,確保產(chǎn)生的裂縫等焊接質(zhì)量問題得以有效控制。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠桁架節(jié)點(diǎn)焊接裂縫進(jìn)行分析,采用控制變量法綜合考慮施工影響因素,進(jìn)行宏觀、微觀相關(guān)試驗(yàn),對(duì)產(chǎn)生焊接裂縫的原因進(jìn)行逐一篩選,最終確定焊接方向及電流為鋼筋焊接產(chǎn)生裂縫的主要原因,并提出焊接施工工藝的改進(jìn)措施,避免了后續(xù)鋼筋籠吊裝高空解體或相關(guān)安全質(zhì)量隱患。