预制混凝土桥梁焊接高强钢丝网的疲劳寿命评估

陈 俊 杨俊生

（南通振华重型装备制造有限公司，江苏 南通 226000）

高强度焊丝增强材料(Welded-wire Reinforcements) 是传统低碳钢增强材料的替代品[1-2]。它是桥梁工字梁制造的标准结构加固材料，可降低施工成本。采用电阻焊接法生产的WWR 网格具有较高的质量控制标准，其性能相当于或优于常规钢筋。在这种情况下，交叉连接是由施加电流的压力、强度和持续时间的优化组合形成的。压缩力、焊接电流和焊接时间是工艺优化的控制参数。

点焊通常指用于定位板或用于最终焊接的其他结构形状的临时小焊缝[3]。在钢筋混凝土中，特别是在预制混凝土行业中钢筋可以点焊，而不是绑扎，临时固定一些钢筋交叉点，并因此在混凝土浇筑前固定其要求的位置[4]。然而，承受循环载荷或接近屈服的拉伸应力的结构会因常规焊接程序而严重削弱[5]，禁止用高强度焊丝网进行钢筋混凝土配筋时的点焊。

本文所做的实验工作包括疲劳和拉伸试验，以及作为高强度WWR 网格的一部分，对这些搅拌器进行断口和微观结构分析以适用于大型预制混凝土桥梁。根据梁的设计，在38MPa 的应力范围内，其受压翼缘受典型作用的极限组合，能够在拉载下荷载作用下工作。在梁的制造过程中，采用了焊接接头来固定钢筋的位置。作为预防措施，从一系列铺装式焊接接头中随机选取一根可供使用的i 形梁，以获得包含这两种十字形焊接接头的真实测试样本。

1 疲劳寿命评估

疲劳试验用试样取自拆除的工字梁下翼缘箍筋即WWR网的主抗筋，材料为A615 级75 钢[6]，化学成分及等效碳含量Ceq 表1 所示。

表1 化学成分及碳含量(重量百分比)

每个测试样本由一根长度约为400 毫米的D20 钢筋肋丝组成，并由两个十字形焊缝将其与D4 和D8 连接起来。图1a 展示了测试试样的总体结构，其尺寸如表2 所示。两个焊缝之间的距离大于24mm，保证它们不会相互影响。图1b 为疲劳试验前试件。此外，疲劳试验中还使用了一个试样，该试样在拆梁过程中，由于D8 导线从驻极体上脱落而产生半圆切口(图1c)。

图1 (a)疲劳试验用试样；(b)试验前标本；(c)疲劳试验前D8 与电焊脱离所产生的奇异的半圆柱形缺口试样

在轴向载荷为100kN 的伺服液压试验机上进行了疲劳试验。负载范围为5 到20 kN，即保证抗疲劳强度，并符合焊接时焊接加固技术规范。在此基础上，采用5 ~ 10kn、5 ~15kn、5 ~ 20kn 的载荷范围进行疲劳试验。

2 疲劳后拉伸试验

为了检测疲劳试验对WWR 点焊区强度和延性损失的影响，对3 个疲劳试件进行了拉伸试验直至失效。如图2 所示，两个电阻应变仪的标本检测计长度不同，为了焊接所需的关节网制造(电焊) 和网站定位的梁(点焊) 不受任何影响，分别安装捕捉点。图3b、c、d 为工程应力和延伸率的拉伸试验结果。在每个试件上，通过点焊测得最大载荷下的延伸率较小，说明点焊对箍筋整体拉伸性能的局部影响。

3 物理疲劳损伤分析

图2 远离焊接区和焊接区的试件疲劳后载荷-伸长率曲线：(b)I-1；(c)I-2；(d)i*-4；(a)拉伸试验安排和试样断裂

通过对先前试件的电焊和焊接区的检测，进一步从各种试样中进一步评估了疲劳损伤的存在。在此基础上，采用扫描电镜对试样进行了微观断口形貌分析，并对试样进行了表面抛光处理和2%的蚀刻处理。

图3 显示了试件电焊区的细节。这种导线接头(图3a)是通过电阻加热得到的。g 在电线压缩之前和期间接触区域。从微结构细节看出，这种热压缩接头产生的小熔点是共熔的。粘在一条确定的粘合线上，这条线起源于由热塑性变形材料包裹的增强材料和残余表面，这种材料所占据的区域一般被称为热影响区-热影响区。然而，一个更准确的名字是热机械的。受影响区TMAZ，由于其经历的热变形过程。这些过程不可避免地伴随着排程后毛刺的形成。电线表面的投影材料。同样类型的热机械影响区，虽然比例大不相同，但在搅拌摩擦焊接中却是存在的。

图3 为试样电焊区的详细情况。这个十字丝接头(图3a) 是在压缩之前和期间，通过接触区域的电阻加热得到的。从图3 所示的微观结构细节可以看出，这种热压缩接头产生的少量熔点被限制在一定的粘结线上，粘结线起源于增强材料的粘结面，并被热塑变形材料包裹。这种材料所占的区域通常以热影响区来表示各种电阻焊接工艺。然而，一个更准确的名字是热机械影响区，因为它经历了热和变形过程。这些涉及的过程不可避免地伴随着毛刺的形成，因为投影材料从电线的表面脱落而引起的。在搅拌摩擦焊接等固态焊接工艺中也发现了相同类型的热机械影响区，但比例存在较大差异。

图3 电焊区I-2 试样的详细情况

从宏观上看 (图3a, b, c)，在中间应力范围内施加10.4*106 次疲劳循环对主筋的完整性没有明显影响。但可以看出，在D20 侧焊缝毛刺形成处形成了明显的几何应力集中器。特别是，熔融和塑化金属的拉出混合物在电焊的右侧以尖锐的缺口状凝固(图3d)，并带有多个裂纹引发剂。在高倍镜下，他们被检测到从维德曼斯塔滕组织(图3e) 的粗晶中发出，这些粗晶形成于D20 的热机械影响区(TMAZ)。尽管该组织具有疲劳开裂的倾向，但所施加的疲劳应力不足以引发亚临界开裂，试件在远离两个焊接区的天然钢筋处发生拉颈破坏。

4 结语

从高强度电焊D20 钢丝增强材料中提取了大量含有点焊焊缝的试样，并对试样进行了疲劳试验，疲劳试验的应力范围大于标准疲劳极限，疲劳后进行了拉伸试验。试验表明，D20 钢筋的抗拉承载力没有受到疲劳损伤的影响。试样的拉伸行为没有表现出硬化或脆化的迹象。钢筋的强度和延性得到了充分的保护，拉伸破坏由远离点焊影响区域的延性颈缩组成。微观断口分析检测到的损伤仅为点焊头处产生的疲劳裂纹，裂纹沿熔线生长，并在熔敷金属发生一定的挠度后停止。这涉及到，充分执行的钉焊可以抵抗疲劳负荷高于疲劳负荷的WWR 规定的技术规范。这是由于与分析过的点焊相比，在电焊中工作的疲劳微观机制发展得更快，并导致WWR 的早期损伤。