钢筋焊接热对混凝土的影响研究.pdf

钢筋焊接热对混凝土 的影 响研究 乔为国 ， 陈杏环 7 3 钢筋焊接热对混凝 土的影 响研究 乔为国 ， 陈杏环 ( 1 重庆市 设计 院 ， 重庆 4 0 0 0 1 5 ；2 重庆 电子 工程 职 业学 院， 重庆 4 0 1 3 3 1 ) 摘要 ：箍筋焊接加 固法为拱上立柱加 固的常用方法 ， 但箍筋焊接 热可能会对立柱造 成损伤 。为研究箍筋焊 接热可能对立柱造成 的损伤 ， 采用 AB AQUS软件建立有 限元模 型 ， 对受焊接热影 响的立柱力学性 能及破 坏规律进 行研究 。结果表明 ： 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 ； 在荷载作用下 ， 薄弱 区域率先破 坏并 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 柱破坏 。设计施工时应采取有效 的措施 ， 尽量减小焊接热对立柱力学性 能的影 响 。 关键词 ： 桥 梁工程 ； 箍 筋焊接加 固法 ； 焊接热 ； 影响 ； 研 究； 有限元法 中图分类号 ：U4 4 5 7 2 ； U4 4 5 5 8 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 7 3 0 4 1 前 言 在公路桥梁改造工程 中， 经常需对拱上立柱进 行加宽加固， 常用方法是箍筋焊接加固法 ， 该方法是 将新立柱箍筋与旧立柱箍筋通过焊接联结 ， 保证新、 旧立柱联结可靠。在施工过程 中， 焊接产生 的高温 可能对 旧立柱造成损伤 ， 使立柱承载能力降低。但 在以往的研究 中， 未对此引起足够 的重视 。本文 以 某公路桥为例 ， 针对箍筋焊接热可能会对立柱造成 的损伤， 采用 AB AQUS软件建立有限元模型 ， 对受 焊接热影响的立柱力学性能进行全过程分析 ， 寻找 考虑焊接热影响的立柱破坏规律 。 2工 程概 况 某公路桥为钢筋混凝土箱肋拱桥 ， 跨径 9 0 m， 建于 1 9 9 5年。2 0 1 0年对该桥进行检查 ， 发现该桥 主要病害有 ： 立柱截 面尺寸不足 ， 刚度较小 ， 汽车荷 载作用下桥 梁晃动较 明显 ； 桥 面板底 部裂缝较 多。 经研究 ， 拟对该桥采取加宽立柱截面、 更换桥面板的 加 固方 法 。 立柱采用箍筋焊接加固加宽。新立柱纵向受压 钢筋按照要求配置。u 形箍筋 与旧立 柱箍筋 焊接 前在旧立柱上凿出箍筋位置 。新立柱主筋和箍筋分 别采 用 HRB 3 3 5 2 8 mm 和 1 2 mm 钢筋 ， 采 用 C 3 0 混凝土 。箍筋焊接加固的立柱截面示意见图 1 。 3 焊接 热对 箍筋 焊接 加 固法 的影 响研 究 3 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 AB AOUS对箍筋焊 1 一- 5 I 2 X 1 2 5 1 1 8 。3 、 5 3 X 1 6 7 凿 除部分混凝 土 单位 ：c m 图 1 箍筋焊接加固的立柱截面示意 接加固立柱进行受载全过程分析 ， 研究考虑焊接热 影响的立柱在轴心受压荷载作用下的力学行为及破 坏 规律 。 ( 1 )模 型单元 的选 取。新 、 旧立柱 采用 C 3 D 8 实体单元( k 节点线性六面体完全 积分单元) 模拟 ； 钢筋( 包括受压钢筋、 箍筋 、 植筋等) 采用 T 3 D2单元 ( 两节点线性三维桁架单元 1 ) 模 拟； 钢筋和 混凝 土之间的粘结关系通过 钢筋埋人 ( E mb e d d e d ) 混凝 土 C 3 D8单元 中模拟。有限元模型见图 2 。 ( 2 )模型材料特性 。钢筋本构关系采用弹塑性 双直线模 型 ( 见 图 3 ) ， 钢筋 的弹性 模 量 E 一2 0 0 GP a ， 屈 服应 力 f y 一 2 1 0 MP a ， 对 应 的 屈 服 应 变 为 0 0 0 1 ； 水 平 段钢 筋 的应力 不 变 ； 钢 筋 破坏 时应 变为 0 0 0 6。 混凝土受压本构关系采用弹塑性本构模型( 见 图 4 ) 。当 0 8 f 时 ， 混凝土进入塑性 阶段 ， 极限压应力 f = = = 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 8 0 9 作者简介 ： 乔为国( 1 9 8 0 一) ， 男， 工程师 ， 2 0 0 2年毕业于重庆交通大学公路与城市道路专业 ， 工 学学士 ， 2 0 0 7年毕业 于重 庆交通大学桥梁 与隧 道工程专业 ， 工学硕士 ( E ma i l ： 3 0 3 9 5 8 8 3 q q c o rn) 。 卜 茑 - T 阿二 二 二 _ _ 一 0 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 世界 桥 梁 2 0 1 2， 4 0 ( 2 ) 图 2 有 限元模型 图 3钢筋本构 关系 图 4混 凝 土 受 压本 构 关 系 2 O 1 MP a ， 峰值压应变为 0 0 0 2 4 州。混凝土传导率 为 1 2 5 w ( m K) ； 密度为 2 4 0 0 k g m。 ； 膨胀系数 为 1 1 0 ； 比热 为 1 0 0 5 J ( k g ) 。 卅 。 3 2 焊接热对旧混凝土损伤的模拟分析 箍 筋 焊接 会 产 生很 高 的温 度 ， 会 对 旧立 柱 的强 度产生影响 。因此， 模型中需要考虑焊接热对混凝 土强度 的影 响 。 采用 AB AQ US建立 有限元 模型 ， 在 旧立柱 表 面钢筋焊接区域 ( LB一1 0 0 mm1 2 mm) 施 加 2 0 0 0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 6 为沿宽度 B、 长度 L和高度 H 方 向温度分 布曲线。可见， 在钢筋焊接区域外， 沿宽度 B方向， 温度大于 3 0 0的区域有 3 C IT I ； 沿长度 L方 向， 温 度大于 3 0 0的区域有 3 5 c m； 沿高度 H 方向， 温 度大 于 3 0 0的 区域有 3 c m。 2 p 1 1 1 0 赠0 2 4 2 0 1 6 1 2 0 8 赠0 4 0 图 5 焊接热影响 区域模型 二 口 z m 6 5 5 5 4 5 3 5 2 5 1 5 5 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 距离 m m ( a )沿长度 L方向 距离 m m ( b )沿宽度 B 方向 ( c )沿高度 H方 向 图 6沿宽度 B、 长度 L和高度 H 方 向温度分布 曲线 根 据温 度分布 ， 3 0 0 1 0 0 0 和 1 0 0 0 2 0 0 0 将模型中焊接热的影响范围划分成两部分 ( 见图 7 ) ： 区域 I为高 1 0 c m、 半径 1 0 mm 的半柱体 ， 该部 分考虑混凝土抗压强度折减系数为 0 8 5 ， 弹性模量 折减系数为 0 7 ； 区域 为高 1 0 c m、 内径 1 0 mm、 外 径 4 0 mm 的半环柱体， 该部分考虑混凝土抗压强度 折减系数为 0 3 ， 弹性模量折减系数为 0 3 。 3 3 受焊接热影响立柱受载全过程分析 立柱受载全过程分析时， 新、 旧立柱底部和顶部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢筋焊接热对混凝 土的影响研 究 乔为 国， 陈杏 环 7 5 焊接热影响区域 I 焊接热影响区域l I 单位：。 图 7焊 接 热 影 响范 围示 意 均采用固结 ， 高度取为立柱实际最大高度 。对新、 旧 立柱顶部施加相同的竖 向位移 ， 通过位移加载来模 拟立 柱 受 载 全 过 程 ( 见 图 8 ) 。从 结 果 ( 见 图 9 、 图 1 0 ) 可 以看 出 ， 新 、 旧立柱 的最 大 塑 性 应 变 均 集 中于 焊接热影响区， 说 明箍筋焊接热造成 旧立柱局部焊 热影响区域混凝土损伤 ， 立柱 的破坏发源于焊接热 影 响 区 。 8 0 6 4 潞 3 2 t 6 O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时间 s 图 8位 移 加 载 曲线 图 1 1为新 、 旧立柱横截面塑性应变发展示 意。 从图中可看出 ， 旧立柱焊接热影响 区( 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均降低 了。随着荷载增加， 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， 新立柱与旧立柱焊接热影 响区对应区域开始出现塑性变形( 即新立柱的 3区) 。 图 9 旧立柱开始进入 塑性 阶段 时横截面塑性应变 图 1 O 新立柱开始进入塑性 阶段 时横截面塑性应变 图 l l 新、 旧立柱横截面塑性应变发展示意 4减少 焊接 热对 立柱 力学性 能 影响 的措 施 在实 际施 工 过程 中 ， 可 以采取 有 效措 施 减 少 焊 接 热 对立柱 的影 响 。如 先 完成 新 、 旧立 柱 箍 筋 间 的 焊接 ， 再将旧立柱受焊接热影响的混凝土凿出， 在浇 筑新立柱混凝土时 ， 将凿出部分与新立柱一起浇筑 ， 形 成 整 体 。另 外 ， 在新 、 旧立 柱 箍 筋焊 接 时 ， 在 旧立 柱 焊接 热影 响 区箍 筋 与 混 凝 土之 间 采 取 隔热 措 施 ， 可 以减少焊 接 热 的影 响 。 5 结 论 箍筋 焊 接加 固法 中 ， 箍 筋焊 接 热 造成 旧立柱 局 部 焊接 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 ， 在荷载作用下 ， 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， 最终导致立柱破坏 。因 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 世 界 桥 梁 2 0 1 2， 4 0 ( 2 ) 此 ， 箍筋焊接热将对旧立柱混凝土造成损伤， 使得立 柱承载能力降低 。设计施工时应采取有效 的措施 ， 尽量减小焊接热对立柱力学性能的影响。 参 考 文 献 ： I- 1 石亦平 ， 周玉蓉AB AQus有限元分析实例详解E M 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 E 2 方秦 ， 还毅 ， 张 亚栋A B A QUS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 ， 2 0 0 7 ， 8 ( 3)： 25 4 2 60 3 王丽 ， 邓 思华基于 A B AQUS的混 凝 土梁受 弯破 坏 实验菲线性分 析U3 土木 建筑 工程 信 息技术 ， 2 0 1 0 ， 2 ( 1 )： 6 4 6 7 4 王素 裹 ， 韩小雷 ， 季 静AB AQUS显式分 析方 法在 钢 筋混凝土结 构 中的应 用E J 科学 技术 与工 程 ， 2 0 0 9 ， 9 ( 1 6 ) ： 4 6 8 8 4 6 9 2 5 王金 昌 ， 陈页开A B AQUS在 土木工 程 中的应用 M 杭州 ： 浙江大学 出版社 ， 2 0 0 6 6 2肖忠群， 柯黎明， 杨勇章T I G焊热影响区温度场的有限 元分析E J 南京航空工业学院学报 ， 1 9 9 7 ， ( 2 ) ： 1 9 2 5 7 王振 清， 朱 大雷 ， 韩玉来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 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 )： 2 0 2 2 0 7 E 8 海燕 ， 朱岳明混凝土 热力学特 性和收缩 特性 的宏 细 观研究 J 水电能源科学 ， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 1 ) ： 9 7 1 0 0 S t u d y o f W e l d i n g He a t I n f l u e nc e o n Co n c r e t e Q I A O We i - g u o ， C HE N Xi n g h u a n ( 1 Ch ong q i n g Ar c hi t e c t u r a l De s i gn I n s t i t u t e，Cho ng qi ng 4 00 01 5，Chi n a；2 Ch on gq i ng Co l l e g e o f E l e c t r o n i c En g i n e e r i n g，Ch o n g q i n g 4 0 1 3 3 1，Ch i n a ) ( 编辑 ： 陈雷) Ab s t r a c t ： The we l d e d s t i r r up r e i n f o r c e me nt me t h od i s a me t h od c o m mo nl y us e d f or r e i n f o r c e me nt o f c o l u m n s o n a r c h a nd a s t he m e t ho d i s us e d，t h e we l d i n g he a t o f t h e s t i r r u ps m a y c a u s e d a ma g e t o t h e c o l u mn s To s t u d y t h e p o s s i b l e d a ma g e t o t h e c o l u mn s ， t h e s o f t wa r e AB AQUS i s u s e d t o s e t u p a f i n i t e e l e me n t mo d e l a n d t h e me c h a n i c a l b e h a v i o u r a n d t h e l a w o f t h e d a ma g e t o t he c o l umns i n f l ue nc e d by t h e we l d i n g h e a t a r e a n a l yz e d Th e r e s ul t s o f t he a n a l ys i s s ho w t ha t t h e we l d i ng he a t c a n c a us e da m a g e t o t he c o nc r e t e o f t he o r i gi na l c o l umns i n t he l o c a l we l di ng he a t i nf l ue nt i a l z o ne，t h e e l a s t i c mo du l us a nd c o mpr e s s i v e s t r e ng t h of t he c o nc r e t e wi l l d e c r e a s e a n d t he l o c a 1 we a k a r e a s i n t h e c on c r e t e wi l 1 be f o r m Und e r t h e a c t i o n o f l o a d，t he we a k a r e a s wi l l f i r s t l y f a i l ，wi l l n ot c on t i n ue wor ki ng a n d t h e e f f e c t i v e s e c t i o ns of t h e c o l u m ns wi l l r e d uc e W i t h t he e x pa n d i ng o f t he we a k a r e a s，t h e c o l umn s wi l l f i n a l l y f a i l I n t he d e s i g n a nd c o n s t r i c t i o n，t h e e f f e c t i v e me a s u r e s s h o u l d b e t a k e n t o mi n i mi z e t h e i n f l u e n c e o f t h e we l d i n g h e a t o n t he me c ha n i c a l b e ha v i ou r o f t h e c o l umns Ke y wo r d s：b r i dg e e ng i ne e r i ng；we l d e d s t i r r u p r e i nf or c e me n t m e t ho d；we l di n g h e a t ；i n f l u e n c e；s t ud y；f i n i t e e l e me n t me t ho d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m