劉子金，吳先濤，侯愛山，王永華，陳士忠

（沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015年局部修訂）中關(guān)于鋼筋選用的4.2.1條第2款指出“箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500級鋼筋”，新修訂規(guī)范對箍筋等級的要求比之前有了一定的提高；同時GB5066-2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中關(guān)于封閉箍筋的5.4.13條中“梁類構(gòu)件復(fù)合箍筋內(nèi)部宜選用封閉箍筋”，可以看出高強鋼筋焊接封閉箍筋的約束是混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的未來方向。相對于端部90°、135°彎折的普通箍筋，焊接封閉箍筋具有方便鋼筋綁扎、混凝土澆筑和節(jié)約鋼筋材料等特點。

通過對HRB400級鋼筋的電阻對焊接頭抗拉性能的研究，為焊接封閉箍筋焊接參數(shù)設(shè)置提供參考。本文在封閉箍筋大量生產(chǎn)過程中，采用正交試驗對比分析方法，在直徑10mm的HRB400鋼筋合格接頭中進(jìn)行了焊接接頭性能對比分析。分析焊接電流、焊接時間、頂鍛壓力和軸心位移偏差等參數(shù)對鋼筋的抗拉強度、破壞形態(tài)的影響。

1 正交試驗基本原理及前期探索

正交試驗設(shè)計是多因素試驗參數(shù)、優(yōu)化性能組合的高效試驗設(shè)計方法，其具有試驗點均衡分散，數(shù)據(jù)綜合可比的特點。在使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正交表的情況下，同時還可以進(jìn)行多因素間的混合及交互作用，實現(xiàn)較少的試驗次數(shù)準(zhǔn)確取得比較可靠的試驗參數(shù)優(yōu)選。

試驗前期進(jìn)行了數(shù)百組的封閉箍筋焊接探索，得出焊接參數(shù)調(diào)整有效范圍見表1。由于封閉箍筋的自動焊接技術(shù)需要對各參數(shù)準(zhǔn)確賦值，為進(jìn)一步精確參數(shù)，采用代表四因素三水平的正交表L9（34），進(jìn)行試驗，提高了試驗效率。試驗主要完成的目標(biāo)是：

表1 前期探索的焊接參數(shù)有效范圍表

（1）摸索焊接試驗參數(shù)的主次因素影響效應(yīng)曲線規(guī)律。

（2）確定實現(xiàn)焊接接頭抗拉強度和破壞形態(tài)優(yōu)化的因素水平的組合范圍。

2 試件焊接試驗準(zhǔn)備

2.1 試件設(shè)計制作和試驗參數(shù)

根據(jù)箍筋生產(chǎn)過程以及JGJ18-2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》的要求，確定焊接試驗主要影響參數(shù)為焊接電流（A）、焊接時間（B）、頂鍛壓力（C）和軸心位置偏差（D），本次試驗采用的HRB400級鋼筋性能見表2。正交試驗設(shè)計選取9組，每組取20根，共計180根，對每根鋼筋電阻焊接接頭進(jìn)行拉伸實驗。焊接試驗專用夾具如圖1所示。

表2 試驗采用的HRB400級鋼筋材料特性/MPa

圖1 試件焊接夾持

2.2 試件焊接設(shè)備及過程

試驗采用廊坊凱博建設(shè)機械科技有限公司所研制的彎箍機進(jìn)行封閉箍筋的彎曲，其次利用TCW-33U對焊機，調(diào)整焊接參數(shù)對封閉箍筋進(jìn)行焊接，待焊點冷卻結(jié)束后，在其上截取300mm鋼筋段，利用液壓萬能試驗機，根據(jù)GBT228.12010《金屬材料拉伸試驗方法》進(jìn)行拉伸實驗，由計算機交互系統(tǒng)獲取試驗數(shù)據(jù)。

2.3 鋼筋焊接試驗評價指標(biāo)

根據(jù)JGJ18-2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》的規(guī)定，將鋼筋拉伸后的破壞形態(tài)和抗拉強度與母材的標(biāo)準(zhǔn)值對比作為評價指標(biāo)。根據(jù)正交試驗的極差分析，明確焊接電流、焊接時間、頂鍛壓力和軸心位移偏差的各因素水平對鋼筋抗拉強度和破壞形態(tài)的影響規(guī)律，同時以圖表的形式表示出來，分析找出影響試驗指標(biāo)的最大因素、最小因素，優(yōu)選出對鋼筋焊接性能最接近鋼筋母材強度的優(yōu)化參數(shù)組合。

3 鋼筋試件正交試驗過程

3.1 設(shè)計正交試驗

經(jīng)過前期大量試驗探索，確定了主要影響因素，為進(jìn)一步縮小封閉箍筋自動焊接所需的參數(shù)范圍，依據(jù)前期摸索的有效范圍和JGJ18-2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》的規(guī)定，確定試驗因素水平及單位，如表3所示。

表3 正交試驗因素水平表

根據(jù)正交試驗設(shè)計特點和規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)正交表，選取了四因素三水平的標(biāo)準(zhǔn)正交表L9（34），表頭設(shè)計見表4，正交表如表5所示。

根據(jù)正交表的內(nèi)容和設(shè)計表頭確定試驗方案，將試驗方案相關(guān)因素和水平填入表5。按照試驗方案進(jìn)行試驗，記錄鋼筋焊接接頭拉伸性能指標(biāo)，即優(yōu)良占比——焊接鋼筋延性斷于母材或熱影響區(qū)時，且抗拉強度不小于母材標(biāo)準(zhǔn)強度接頭與合格接頭占比。記錄試件編號和試驗結(jié)果如表6所示。

表4 正交表表頭設(shè)計

表5 L9（34）正交表

表6 正交試驗結(jié)果

3.2 試驗計算結(jié)果

采用直觀分析——極差（R）分析法。Rj表示第j列因素的極差反映了第j列因素水平的波動時，試驗指標(biāo)的變化幅度，Rj越大說明該因素對試驗指標(biāo)的影響程度越大，表達(dá)式為R=max（Kij）-min（Kij）；Kij表示第j列因素i水平對應(yīng)的試驗指標(biāo)和，表示Kij的平均值，有平均值可以判斷第j列因素相應(yīng)的哪一種水平為最佳，從而確定出最佳水平組合。對焊接鋼筋合格占比（Y1）進(jìn)行極差分析，Y1極差分析表如表6所示：

表6 Y1極差分析表

4 試驗結(jié)果分析

通過對焊接鋼筋合格占比（Y1）的極差和因素水平的效應(yīng)曲線分析，主要分清楚各因素對焊接的性能的影響主次順序，確定出試驗最佳的因素水平的組合使得焊接拉伸性能最接近鋼筋母材。

4.1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果直接分析

由焊接鋼筋抗拉強度不小于鋼筋母材的數(shù)據(jù)分析可以看出，在9號試驗（A3B3C2D1）的條件下，焊接試件是95%呈現(xiàn)延性斷裂母材或熱影響區(qū)，且拉伸強度不小于母材鋼筋抗拉強度的，通過K值分析因素水平的效應(yīng)曲線和極差R，確定其是否為鋼筋焊接的最佳參數(shù)搭配和因素的主次影響順序。

4.2 試驗因素水平匹配分析

鋼筋焊接件的因素水平對試驗指標(biāo)Y1的影響關(guān)系如圖3所示，是以各因素的水平為橫坐標(biāo)，相應(yīng)水平下試驗指標(biāo)的平均值為縱坐標(biāo)所得到的各因素水平的效應(yīng)曲線圖。根據(jù)正交表的綜合可比性，分析各因素相應(yīng)水平下的最大值，可以根據(jù)效應(yīng)曲線得出以下結(jié)論：要使得鋼筋焊接接頭最大程度不小于母材的鋼筋抗拉強度，焊接電流應(yīng)為190A（A3）、焊接時間為0.8s（B1）、頂鍛壓力為0.5MPa或0.6MPa（C2或C3）、軸心位移偏差為0.5mm（D1），確定出在實際全面組合（34=81）中最佳因素水平組合為（A3B1C2D1或A3B1C3D1）。

圖3 Y1因素水平效應(yīng)曲線

4.3 試驗因素主次極差分析

依照試驗指標(biāo)Y1的極差計算結(jié)果R確定因素主次，即極差越大的影響越主要。從表6可以看出，在焊接鋼筋時鋼筋端口的軸心位置偏差對焊接鋼筋破壞形態(tài)和鋼筋抗拉強度影響最明顯（R最大），焊接電流次之，再次為頂鍛壓力，焊接時間對鋼筋破壞形態(tài)和焊接鋼筋的抗拉強度影響最小，即各影響因素的影響作用排序為（主要）D-A-C-B（次要）。

4.4 試驗驗證分析

經(jīng)過上述分析得到，焊接封閉箍筋的最佳因素水平的搭配，確定了自動焊接封閉箍筋的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)實際情況下的封閉箍筋焊接生產(chǎn)進(jìn)行大量驗證，焊接鋼筋前后拉伸性能對比，如表7所示。

表7 試驗前后拉伸性能優(yōu)良率對比

5 結(jié)論

本文通過正交試驗原理對焊接封閉箍筋的焊接參數(shù)建立了四因素三水平的標(biāo)準(zhǔn)正交表，以極差分析和效應(yīng)曲線分析為方法，確定出了自動焊接封閉箍筋拉伸性能最佳的參數(shù)匹配設(shè)置和對拉伸性能影響的主次因素，最后經(jīng)過生產(chǎn)大量驗證：選用優(yōu)化的焊接參數(shù)組合，可使焊接鋼筋拉伸性能優(yōu)良率提高了10%左右，為研究封閉箍筋自動焊接技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)提供一定的參考。

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