锚固钢筋弯折处焊接构造对受力的影响

锚固钢筋弯折处焊接构造对受力的影响

王煜东

安徽省城建设计研究总院股份有限公司华南分公司，广东省广州市 510630

摘　要:完成了对锚固钢筋弯折处满焊和不满焊两种工况的有限元分析,分析结果表明钢筋弯折处满焊不会降低锚固结构的抗拉承载力,钢筋弯折90°处不满焊将使锚固结构钢筋的抗拉承载力大大降低,本文基于有限元软件分析及前人试验研究验证了如上结论。

关键词:锚固钢筋;弯折焊接;抗拉承载力;

1.前言

焊接作为一种钢构件的连接方式，因其使用方便且不使截面削弱的特性，广泛应用于各类工程结构中，且随着我国钢材产量和质量的不断提升，以及焊接材料、焊接技艺的不断提高，在桥梁工程中的应用也越来越多。在结构各板件之间、钢筋之间以及板件与钢筋之间的连接,常常采用焊接进行处理。在某些钢结构与混凝土之间进行连接锚固设计时,常采用在混凝土结构中预埋钢板的方式提供焊接或铆接点位进行处理，预埋钢板所承担的荷载往往通过焊接其上的锚固钢筋传递到混凝土结构中，传力钢筋的在混凝土中的锚固段与在钢板上的焊接段之间一般有一段90°弯折部分。通常钢筋焊接后,焊缝附近的钢材会因焊接的高温作用而形成热影响区，呈现出材质变脆，塑性和韧性变差，疲劳强度低等特性。此外，在工地进行焊接时定位和操作比较麻烦，质量不易控制。但本文不讨论这些影响，仅分析钢筋90°弯折处满焊和未焊接工况下结构抗拉承载力的差异。

2.工程实例及分析模型

某人行桁架桥由桥下钢横梁支承，钢横梁一端直接锚固在主桥桥墩立柱侧面，横梁中间设有一根吊杆，顶端通过预埋钢板锚固在墩顶盖梁上，如图1所示。该桥于2020年底施工时发生了吊杆顶端锚固钢筋断裂，相邻桥跨掉落的事故。预埋钢板采用材质为Q345qC厚30mm的钢板制成，钢板尺寸为1600×600mm，上部焊接24根C16 HRB400级钢筋预埋在混凝土中，每根钢筋分配的平均传力面积为400×100mm。钢筋在竖直锚固段和水平焊接段之间设有半径R=50mm的90°弯折段，弯折处未焊接处理，如图2所示。

图1 人行桥支承体系示意图                     图2 钢筋焊接处理示意图

为了比较两种工况，分析受力差异，本文采用有限元计算软件建立模型对单根锚固钢筋在弯折（倒角）处满焊和未焊接两种工况进行受力分析。有限元模型示意如图3所示，弯折处焊接为图中红色部分。按两种工况分别建立模型A和模型B。其中，模型A在钢筋弯折处焊接，模型包含16742个单元18860个节点。模型B在钢筋弯折处不焊接，模型包含14888个单元，18761个节点。

图3 有限元分析模型图

有限元模型在下端30mm厚钢板上施加竖直向下的荷载，锚固钢筋顶端固结，其余部分允许轴线变形，略去粘结滑移效应的影响，按竖向拉力分别为40kN、50kN、60kN三种情况进行分析，结果如图4、5及表1所示。

图4 模型A结果示意图                      图5 模型B结果示意图

表1  有限元计算结果

3.计算结果分析

根据有限元软件分析可知，在三级荷载作用下，锚固钢筋均处于弹性阶段，模型B（弯折处不焊接）在同等拉力的作用下结构的最大拉应力远大于模型A（弯折处满焊），其最大主应力之比约为1.53倍，Mises应力之比约为2.08倍。模型A应力最大点位于弯折段上端与钢筋竖直段衔接处，模型B应力最大点位于弯折段下端与水平焊接段衔接处。由于焊接时的温度作用会导致钢材金相组织和机械性能发生变化，使得钢筋在焊缝附近变脆，且部分试验研究也表明弯折处未满焊时一般会在焊缝处发生脆性破坏。由此，可以判断在同等荷载作用下，弯折处不焊接工况比弯折处满焊工况下钢筋承担的最大应力高出50%~100%。

4.结论

综合上述计算和分析表明，锚固钢筋在锚固段与焊接段之间的弯折处不满焊比满焊情况下的抗拉承载力大为降低，其主要是可能是由于弯折段圆弧满焊时，荷载在锚固结构内的传递方向与外力作用方向基本一致，截面在弯折处均匀连续变化。而弯折处不焊接时,内力在弯折处的传递方向发生了急剧变化，且在钢筋弯折段产生了一个额外的力矩,使得弯折段端钢筋的应力急剧增大。即弯折段不按满焊设置时，结构极限抗拉承载力降低的真正原因是截面传力方向和尺寸急剧变化，偏心作用扩大了荷载产生的效应。虽然本文中依据的实例主要是由于现场施工时多数钢筋水平段未能按质量要求焊接，导致施工时钢板与锚固钢筋完全脱离而坠落，但弯折处的焊接构造所产生的影响在工程实践中也不容忽视。

参考文献

[1]王国周,瞿履谦.钢结构[ M] .清华大学出版社,1993.

[2]祝志文,于向东,夏双辉. 钢筋弯折90°焊接结构抗拉性能研究［J］.四川建筑科学研究，2001(9)：56-57.

[3]沈蒲生,邱登莽.混凝土结构[ M] .湖南科学技术出版社, 1994.

[4]吴冲,顾萍.现代钢桥[ M].人民交通出版社，2006.