王振强 李智能 魏奇科 赵 波
(中冶建工集团有限公司， 重庆 400084)
摘 要：内部钢骨与外包混凝土形成整体可提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥，比纯钢结构具有更大的刚度和阻尼，有利于控制结构的变形。通过对电阻压接焊焊接原理和工艺的分析，将焊接过程分为三个阶段，分别是：预压阶段，焊接阶段和回火阶段，通过不同阶段的参数设置来保证焊接钢筋的接头性能高于原钢筋母材，并通过一系列的力学试验加以证明，同时通过金相分析，得出焊接接头性能提高的根本原因在于钢筋焊缝处的金属以针状马氏体为主，焊缝周围以铁素体和奥氏体为主，因此为焊接箍筋替代传统箍筋提供了理论基础。对于钢骨混凝土梁当钢骨上翼缘处于截面受压区，且配置一定数量构造钢筋时，钢骨与混凝土能保持较好的共同工作状态。
关键词：钢骨混凝； 箍筋； 土电阻压接焊； 焊接工艺； 金相分析
内部钢骨与外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件出平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得以充分发挥，比纯钢结构具有更大的刚度和阻尼，有利于控制结构的变形，外包混凝土增强了结构的耐久性和耐火性。最初，欧美国家发展钢骨混凝土结构主要就是出于对钢结构的防火和耐久性方面的考虑，一般可比纯钢结构节约钢材达50%以上，与钢筋混凝土结构相比使构件的承载力大为提高。实腹式钢骨的钢骨混凝土构件，受剪承载力有很大提高，大大改善了结构的抗震性，正是由于这一点，钢骨混凝土结构在日本得到广泛的应用。
钢骨架本身具有一定的承载力，可以利用其承受施工阶段的荷载，并可将模板悬挂在钢骨架上，省去支撑，这有利于加快施工速度，缩短施工周期，如在多高层结构的施工中不必等待混凝土达到强度就可以继续进行上层施工。通过对钢骨混凝土中约束筋的研究，有利于加强钢骨与外包混凝土的协调变形，确保两者共同作用。钢骨混凝土结构形式如图1所示。
a—SRC梁；b—SRC柱。
图1 钢骨混凝土结构形式
在建筑施工中，箍筋一直采用人工现场弯折制造，由于抗震要求和增强箍筋和混凝土的黏结力，需要将箍筋闭合处做成弯钩，弯曲角度为135°，弯曲长度为10倍钢筋直径，随着建筑产业现代化的发展，传统现场制作的箍筋已有被工厂加工的焊接箍筋取代的趋势，焊接箍筋取代传统箍筋的关键就是要保证箍筋焊接的质量，GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》10.3.2条：柱及其他受压构件中的周边箍筋应做成封闭式[1]。说明可以用焊接封闭箍筋，但前提是确保焊接质量，GB 50010—2010中的8.4.1条：钢筋连接可采用绑扎搭接，机械连接或焊接，机械连接接头及焊接接头的类型及质量应符合国家现行有关标准的规定[2]；11.1.8条：箍筋宜采用焊接封闭箍筋、连续螺旋箍筋或连续复合螺旋箍筋。本次修订强调采用焊接封闭箍筋，主要是倡导和适应工厂化加工配送钢筋的需求。JGJ 18—2012《钢筋焊接及验收规程》为焊接箍筋在房建施工上的大范围应用提供了标准[3]。
焊接箍筋能否替代传统箍筋的关键在于焊点的力学性能以及焊接质量的可靠度，焊点的性能与焊接方式有很大的关系，本文是采用电阻压接焊工艺技术进行钢筋焊接，电阻压接焊原理是指将两工件焊接面始终压紧，利用电阻热加热至熔融状态，然后迅速施加锻压力完成焊接的方法[4]。
其主要焊接工艺分为三个阶段：第一阶段为预压阶段，设置预压压力；第二阶段为焊接阶段，主要需设置焊接电流和焊接时间；第三阶段为回火阶段，需设置回火电流和回火时间。在第二和第三阶段之间设置时间间隔，电流为零，在整个焊接过程中，锻压力可根据焊接试件的要求设置不同的锻压力，从而保证焊接质量达到要求[5]。
在开始焊接前，需要先对钢筋进行校直除锈，经过校直除锈后的钢筋和原材料钢筋相比伸长率的损失需控制在1%以内，然后检查焊机的工作状态，专用焊机如图2所示，进行通水通电，预先设置各个阶段的锻压力、通电电流、通电时间，时间的单位为1个周波；通电电流的单位为kA，但是这里的电流并不是实际通过焊接钢筋的电流，需要根据控制器的设置和变压器的额定功率进行换算；锻压力的大小需要根据空压力的压力及分压装置进行设置，其压力单位为MPa。
将焊接钢筋试件放在专用焊接电极槽内，搭接长度根据钢筋直径的不同而不同，电极如图3所示，焊接完成后钢筋如图4所示。
图2 电阻压接焊专用焊机
图3 电阻压接焊机电极
图4 钢筋焊接后状态
首先，通过第一阶段的预压阶段，施加锻压力，使上、下电极和平行搭接的钢筋在压力下保持接触；然后接通第二阶段的焊接电流，由于电极和钢筋之间是面接触，钢筋和钢筋之间是线接触，因此钢筋之间的接触电阻大于钢筋和电极之间的接触电阻，所以在钢筋接触部位形成熔核，因此钢筋从熔核处开始熔化，待熔核形成后，停止通电，需要注意的是在第二阶段的焊接时需控制花火的大小和阻止熔核铁水的飞溅；在第三阶段，即回火阶段，设置小的通电电流和长的焊接时间，在这个阶段通过进一步的加压和保持使钢筋产生的塑性变形和轴线重合，同时起到对焊接部位的保温和回火作用，使焊接接头不至因骤冷而导致焊接部位延性降低。钢筋在经过第二阶段和第三阶段的焊接，其结果分别如图5所示。
a—第二阶段;b—第三阶段。
图5 焊接结果
通过大量的焊接试验，在焊接过程中不同型号和直径的钢筋其焊接参数设置如表1所示。
表1 不同型号钢筋的焊接参数设置
钢筋类型焊接压力/MPa焊接电流/kA焊接时间/s回火电流/kA回火时间/sHPB300?6.50.5030.000.2025.000.875HPB300?80.5533.750.2527.501.000HPB300?100.6040.000.5036.252.000HRB400?80.6035.000.3030.001.250HRB400?100.6540.000.5036.252.125
电阻压接焊所形成的接头需通过力学试验进行性能确定，通过对焊接接头和原材料钢筋的力学试验进行对比分析研究，分析焊接接头的力学性能[6]。
经过电阻压接焊的钢筋试件是否满足在拉力试验下不发生从焊接接头及热影响区发生断裂是焊接箍筋替代传统箍筋的关键，以下焊接试件采用HRB400螺纹钢，直径10 mm，钢筋试件单支长度为155 mm，按照以上所述的工艺原理进行焊接，焊接后的试件和原钢筋试件如图6a所示，经过拉伸试验后试件的断裂情况如图6b所示。荷载-位移曲线如图7所示，试验数据见表2。
a—拉伸前；b—拉伸后。
图6 拉伸试验试件
—原钢筋；----焊接钢筋。
图7 拉伸试验荷载-位移曲线
表2 拉伸试验数据
试件名称试件直径/mm最大拉力/kN最大应力/MPa伸长率/%原材料钢筋1050.9648.420.0焊接钢筋1051.7658.615.8原材料钢筋1051.3653.519.6焊接钢筋1051.9661.116.0
通过试验结果可以看出：焊接试件焊点满足JGJ 18—2012《钢筋焊接及验收规程》的要求，没有发生断裂。通过分析试验数据可知，与原材料钢筋相比，焊接试件所承受的最大拉力有所增加，伸长率有所降低，即焊接钢筋接头部位延性有所下降，强度增加。
进一步对焊接试件和原钢筋试件进行弯曲试验(弯曲90°和180°)和剪切试验。在做弯曲试验前，将焊接接头部位进行打磨，使接头和原钢筋试件保持直径相同。按照JGJ/T 27—2001《钢筋焊接接头试验方法标准》，对抗剪试验的要求进行接头性能试验，将原材料钢筋进行T形焊接；根据剪切试验要求进行剪切试验，其试验结果如图8所示。通过试验结果可以看出：焊接试件在焊接接头处弯曲90°和180°的情况下没有出现裂纹和断裂，说明焊接接头的弯曲性能与母材一致，延性没有降低。通过表3中弯曲试验数据可以看出，焊接试件的接头处弯曲荷载大于原材料钢筋。
a—弯曲90°;b—弯曲180°。
图8 试件钢筋弯曲
表3 弯曲试验数据
试件名称试件直径/mm最大拉力/kN最大应力/MPa原材料钢筋109.5120.7焊接接头1010.3131.5原材料钢筋109.5120.7焊接接头1010.3131.5
对焊接钢筋进行剪切试验时，需对钢筋进行T形焊接，对于同等型号的钢筋，T形焊接参数略小于平行焊接，所使用的电极为平面电极且试验时需采用标准夹具夹持。在焊头的剪切试验中，最终钢筋从母材处被拉断，而焊接接头没有发生剪切破坏。
根据以上力学试验可以看出，焊接试件与原钢筋试件相比，焊接试件的抗拉强度略高于原材料钢筋，伸长率有所降低，抗弯强度高于原钢筋，焊接接头弯曲状态不产生裂纹，T形焊头在剪应力作用下不发生剪切破坏。
通过以上试验可知，钢筋在经过压接焊后，性质发生变化的是在焊接接头及热影响区处，由于接头处钢材组织结构的变化导致在相同型号与相同长度下，焊接试件与原钢筋试件伸长率和强度的差异。将HRB400焊接钢筋进行金相分析，对焊接头通过线切割设备沿焊接点纵向分段切割，并进行抛光冷镶样处理，其处理结果如图9所示，通过金相显微镜进行观察分析，显微镜下钢筋基体组织，热影响区以及接头连接处的组织结构如图10所示。
a—HRB400,φ10;b—HPB300,φ10;c—HPB300,φ6.5;d—HPB300,φ8;e—HRB400,φ8。
图9 接头抛光处理
a—钢筋基体组织;b—焊头热影响区组织;c—钢筋焊缝组织。
图10 热影响区以及接头处的组织结构
根据金相分析结果，可以判定：焊接试件中母材及焊接接头主要由等轴状铁素体与珠光体组成，并带有一定杂质；由于电阻压接焊焊接时间短，通电电流流经部位小，热熔区集中的特点，使焊接接头及相邻区热影响范围较小，焊接过程中热影响区的组织结构只有晶粒稍有增大，没有发生性质变化；小范围内的焊缝区材料形成针状马氏体，有时会夹杂少量片状奥氏体和条状铁素体。由于马氏体的力学特点，焊缝处材料强度有所提升，延展性有所下降，这是焊接试件抗拉强度高于原母材强度的内在组织结构原因，同时由于钢筋试件焊接处截面大于其他部位，这就保证了焊接钢筋在承受拉力时不会从焊接部位发生断裂，另外由于马氏体仅存在于小范围的焊缝处，所以，整体焊接钢筋试件的伸长率变化不大，能满足JGJ 18—2012要求。由此可以得出焊接钢筋力学性能提高的根本原因，为建筑施工中焊接箍筋取代传统箍筋提供了理论支持。
电阻压接焊封闭箍筋分别在中冶·城邦国际二期、三期工程和龙兴工业园定向商品房C组团(三标段)等项目进行工程应用，应用钢筋的种类有HPB300、HRB400，应用箍筋的直径分别有6，8，10，12 mm，共应用箍筋约241 t。现场施工如图12所示。
图11 焊接箍筋现场施工
应用结果表明：采用电阻压接焊封闭箍筋可以极大地减轻工人的劳动强度，提高生产效率，提高钢筋混凝土施工质量，节约材料，缩短工期，降低工程成本。
通过对钢骨混凝土中约束筋的研究，有利于加强钢骨与外包混凝土的协调变形，确保两者共同工作。
1)电阻压接焊焊接工艺分为三个阶段，分别是：预压阶段，焊接阶段和回火阶段。不同阶段的参数设置不同，焊接阶段的通电时间短，焊接电流大，回火阶段的通电时间长，回火电流小。
2)通过力学试验对比可以看出，焊接钢筋接头抗拉强度，抗剪强度高于原材料钢筋，弯曲性能与原材料相同，满足建筑施工要求。
3)通过焊接接头的金相分析可以得出，接头部位焊缝处组织结构中马氏体的形成是焊头强度增加的内在原因，而焊头热影响区及其他部位仍为铁素体和珠光体，因此使焊接接头强度提高的同时韧性依然满足JGJ 18—2012的要求。
参考文献：
[1] GB 50010—2002 混凝土结构设计规范[S].
[2] GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].
[3] JGJ 18—2012 钢筋焊接及验收规程[S].
[4] DBJ 50-201—2014 焊接箍筋应用技术规程[S].
[5] 马跃新，吴煜，曾德长，等. 马氏体类型及其形成原因的探讨[J] 材料热处理学报，2013(4):155-161.
[6] 李智能，魏奇科，王龙. 回火对冷轧带肋钢筋抗拉性能的影响[J] 工业建筑，2012,42(增刊):546-548.
Wang Zhenqiang Li Zhineng Wei Qike Zhao Bo
(China Metallurgical Construction Group Co.Ltd, Chongqing 400084, China)
ABSTRACT：Steel reinforced concrete composed of internal steel and encased concrete can improve the integral stiffness and plane torsional-buckling performance, which give full play to the strength of steel. Compared with pure steel structure, steel reinforced concrete structure has higher stiffness and damping so as to better control structural deformation.Through the analysis of welding principle and technology of electrical resistivity welding, the welding process was divided into three stages, respectively was prepressing, welding and tempering. Through setting parameter in different stages to ensure that the welding joint performance of welded reinforcement was higher than original reinforced materials, and a series of mechanical experiments also proved that. Meanwhile, according to the metallographic analysis, it was concluded that the root causes to improve the performance of welded joint was metal mainly by acicular martensite steel at the welds, welds around was given priority to with ferrite and austenite, which provided a theoretical basis for the replacement of traditional stirrup. Both steel ribs and concrete could maintain a stable co-working status when the upper flange of the steel ribs was located in cross-section compression area and set up a certain number of constructional reinforcement.
KEY WORDS：steel reinforced concrete; stirrup; soil electrical resistivity welding; welding process; metallographic analysis
第一作者：王振强，男，1984年出生，博士，工程师。
Email:271377568@qq.com
收稿日期：2016-03-24
DOI：10.13206/j.gjg201609018
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