超低溫下鋼筋低溫性能試驗(yàn)研究

超低溫下鋼筋低溫性能試驗(yàn)研究

為了獲得更大的棲息地，人們可以向深海擴(kuò)張，向北極進(jìn)軍，然后朝南進(jìn)入。北極和宇宙的一個(gè)共同特征是環(huán)境低。中國(guó)東北的最低氣溫記錄為53.4，北極的最低氣溫記錄為68.2，月球的最低氣溫達(dá)到183。此外，儲(chǔ)存罐中混凝土結(jié)構(gòu)的總溫度一般為180。在這種情況下，需要進(jìn)行詳細(xì)的熱敏電阻結(jié)構(gòu)研究。為了解混凝土結(jié)構(gòu)在低溫下的工作性能，應(yīng)進(jìn)行耐久性、長(zhǎng)度預(yù)測(cè)及相應(yīng)計(jì)算機(jī)模擬分析。首先，我們必須研究鋼筋在低溫下的力學(xué)能。目前,鋼材低溫性能研究的溫度變化范圍主要集中在-60℃以上.研究表明,鋼材的強(qiáng)度隨溫度的降低而升高,塑性和韌性則隨著溫度的降低而降低.筆者曾對(duì)3種鋼筋(熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400和熱軋細(xì)晶粒鋼筋HRBF400)在-180～-80℃溫度下的力學(xué)性能進(jìn)行了探索性試驗(yàn)研究(試件共21根),得到了類(lèi)似的結(jié)論.但由于試驗(yàn)裝置的局限,未能測(cè)得鋼筋在超低溫下的加載全過(guò)程曲線,僅用文獻(xiàn)中的結(jié)果難以建立超低溫下鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.現(xiàn)在其試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,重新選擇了試驗(yàn)設(shè)備,又補(bǔ)充進(jìn)行了這3種鋼筋在-180～-80℃環(huán)境下的低溫拉伸試驗(yàn)(試件共63根),旨在綜合兩次試驗(yàn)結(jié)果建立超低溫下建筑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,為進(jìn)一步分析鋼筋混凝土構(gòu)件的低溫受力性能做準(zhǔn)備.1鋼筋的低溫拉伸試驗(yàn)1.1鋼筋低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)設(shè)備先期試驗(yàn)在上海材料研究所金屬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,只測(cè)得鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.后期試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)中心進(jìn)行.研究鋼筋低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)設(shè)備包括加載、降溫和溫度控制以及數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄等三個(gè)系統(tǒng).試驗(yàn)裝置的基本原理是利用冷卻劑獲取試驗(yàn)所需的低溫條件,冷卻劑采用的是液氮和空氣的混合氣體.試驗(yàn)設(shè)備原理見(jiàn)圖1,試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖2.1.2試驗(yàn)鋼筋的力學(xué)指標(biāo)及化學(xué)成分選擇在建筑工程中廣泛應(yīng)用的、直徑d=25mm的2種熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400和1種新型熱軋細(xì)晶粒鋼筋HRBF400.表1列出了試驗(yàn)鋼筋的力學(xué)指標(biāo)及化學(xué)成分.鋼筋試件按照《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T228—2002)及《金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T13239—2006)的要求制作.第一批鋼筋拉伸試件標(biāo)距長(zhǎng)度l0=50mm,平行段總長(zhǎng)L=60mm.由于更換了試驗(yàn)設(shè)備,第二批鋼筋的l0=100mm,L=130mm.其他指標(biāo)相同.試件的尺寸如圖3所示,圖4為加工好的實(shí)物照片.試件編號(hào)如表2所示.1.3鋼筋變形試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)的溫度點(diǎn)t設(shè)為20,-80,-100,-120,-140,-160,-180℃.20℃下對(duì)每種鋼筋的3個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn),其余溫度點(diǎn)下對(duì)每種鋼筋的4個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn).在每一個(gè)給定試驗(yàn)溫度下,都要得到力學(xué)指標(biāo):屈服強(qiáng)度f(wàn)y、極限強(qiáng)度f(wàn)u、彈性模量Es強(qiáng)化應(yīng)變?chǔ)舎和極限應(yīng)變?chǔ)舥.第一批試驗(yàn)無(wú)相應(yīng)的鋼筋變形測(cè)試儀器.第二批低溫拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)上配套DV-201型非接觸式引伸計(jì),通過(guò)CCD攝像傳感器檢測(cè)鋼筋試件上標(biāo)線之間的變位,獲得鋼筋變形參數(shù).試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件采集,采集頻率為20Hz,數(shù)據(jù)保存于硬盤(pán).試件達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)溫度后,恒溫20min,開(kāi)始對(duì)試件加載,加載速度為5mm·min-1,同時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù).2溫度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響試驗(yàn)測(cè)得的3種鋼筋在各個(gè)溫度點(diǎn)下的強(qiáng)度和變形指標(biāo)如表3,4,5所示,3種鋼筋典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示.圖中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線從低到高依次對(duì)應(yīng)20,-80,-100,-120,-140,-160,-180℃.試驗(yàn)結(jié)果表明,在-80～-180℃溫度范圍內(nèi),各溫度點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似,均包括彈性階段、屈服平臺(tái)、強(qiáng)化階段和頸縮幾個(gè)部分;隨著溫度降低,屈服平臺(tái)的長(zhǎng)度略有增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入屈服平臺(tái)之前出現(xiàn)明顯的突起尖點(diǎn),即應(yīng)力-應(yīng)變曲線沿著彈性階段上升到較高的強(qiáng)度,然后迅速下跌一定數(shù)值進(jìn)入屈服階段,突起尖點(diǎn)和屈服平臺(tái)的差值增大;3種鋼筋在低溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體趨勢(shì)相同.鋼筋拉伸形變區(qū)微結(jié)構(gòu)主要為位錯(cuò)和孿晶.超低溫下鋼筋的變形特征可能與孿晶硬化機(jī)制與位錯(cuò)硬化機(jī)制之間的相互作用有關(guān).詳細(xì)的機(jī)理有待深入研究.3鋼筋機(jī)械性能的變化規(guī)律3.1低溫下hrb400鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相對(duì)值圖6a,b為28根HRB335鋼筋試件在低溫下的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律.其中,強(qiáng)度相對(duì)值為鋼筋低溫下的強(qiáng)度與室溫下強(qiáng)度平均值的比值,Δt為試驗(yàn)溫度與室溫(設(shè)為20℃)的差值.從圖中可以看出,隨著溫度的降低,鋼筋的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值均近似按指數(shù)關(guān)系遞增,且屈服強(qiáng)度相對(duì)值比極限強(qiáng)度相對(duì)值增加更為顯著.式(1)和式(2)分別給出了低溫下HRB335鋼筋屈服強(qiáng)度相對(duì)值和極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差變化的回歸計(jì)算公式,相關(guān)系數(shù)分別為0.813,0.932.αy1=e-0.0021Δt,Δt≥-200℃(1)αu1=e-0.0014Δt,Δt≥-200℃(2)αy1=e?0.0021Δt,Δt≥?200℃(1)αu1=e?0.0014Δt,Δt≥?200℃(2)式中:αy1,αu1分別為低溫下HRB335鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相對(duì)值,αy1=fy1/fy,αu1=fu1/fu;fy1,fu1分別為低溫下HRB335鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.圖7a,b所示為28根HRB400鋼筋試件在低溫下的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律.和HRB335鋼筋類(lèi)似,隨著溫度的降低,鋼筋的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值均近似按指數(shù)關(guān)系遞增,且屈服強(qiáng)度相對(duì)值比極限強(qiáng)度相對(duì)值增加更為顯著.式(3)和式(4)分別給出了低溫下HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度相對(duì)值和極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差變化的回歸計(jì)算公式,相關(guān)系數(shù)分別為0.820,0.872.αy2=e-0.0019Δt,Δt≥-200℃(3)αu2=e-0.0014Δt,Δt≥-200℃(4)αy2=e?0.0019Δt,Δt≥?200℃(3)αu2=e?0.0014Δt,Δt≥?200℃(4)式中:αy2,αu2分別為低溫下HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相對(duì)值,αy2=fy2/fy,αu2=fu2/fu;fy2,fu2分別為低溫下HRB400鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.圖8a,b所示為28根HRBF400鋼筋試件在低溫下的屈服強(qiáng)度相對(duì)值、極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律.從圖中可以看出,有和HRB335、HRB400鋼筋類(lèi)似的結(jié)論.式(5)、式(6)分別給出了低溫下HRBF400鋼筋屈服強(qiáng)度相對(duì)值和極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差變化的回歸計(jì)算公式,相關(guān)系數(shù)依次為0.870,0.959.αy3=e-0.0022Δt,Δt≥-200℃(5)αu3=e-0.0015Δt,Δt≥-200℃(6)式中:αy3,αu3分別為低溫下HRBF400鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相對(duì)值,αy3=fy3/fy,αu3=fu3/fu;fy3,fu3分別為低溫下HRBF400鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.分別比較兩組公式——式(1),(3),(5),及式(2),(4),(6),發(fā)現(xiàn)每組公式間的差別很小.為便于應(yīng)用,統(tǒng)一用式(7),(8)表示鋼筋屈服強(qiáng)度相對(duì)值和極限強(qiáng)度相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律,其與84根鋼筋試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.832,0.916.αy=e-0.002Δt,Δt≥-200℃(7)αu=e-0.0014Δt,Δt≥-200℃(8)式中:αy,αu分別為低溫下鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度相對(duì)值,αy=fyt/fy,αu=fut/fu;fyt,fut分別為低溫下鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度.依據(jù)式(7),(8),可以得到20℃～-60℃范圍內(nèi)各溫度下鋼筋相對(duì)強(qiáng)度的計(jì)算值.以HRB335鋼筋為例,并選文獻(xiàn)中化學(xué)成分與之相近的16Mn鋼進(jìn)行比較分析,結(jié)果如表6所示.從表中可以看出,計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差在4%以內(nèi),吻合較好.說(shuō)明式(7),(8)可以很好地估計(jì)-80℃～20℃之間鋼筋的力學(xué)性能.3.2隨著溫度的推移，鋼筋彈性模量和特征的變化規(guī)律3.2.1低溫下鋼筋彈性模量隨低變化的關(guān)系圖9a,b,c分別給出了HRB335,HRB400,HRBF400的鋼筋試件彈性模量隨溫差變化關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果.從圖中可以看出:隨著溫度的降低,各種鋼筋的彈性模量均變化不大,近似在某一個(gè)確定值附近上下波動(dòng).因此,本文在確定低溫下鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型時(shí),不考慮彈性模量隨溫度的變化.3.2.2低溫下鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變的對(duì)值圖10a給出了28根HRB335鋼筋試件的強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律.其中,強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值為低溫下鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變與室溫下鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變平均值的比值,Δt為試驗(yàn)溫度與室溫(20℃)的差值.從圖中可以看出,隨著溫度的降低,鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值近似按二次式關(guān)系遞增.式(9)給出了鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值隨溫差變化的回歸計(jì)算公式,相關(guān)系數(shù)為0.780.αh1=1+0.0013Δt+2×10-5Δt2,Δt≥-200℃(9)式中:αh1為低溫下HRB335鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值,αεht1=εht/εh;εht1為低溫下HRB335鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變;εh為常溫下鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變.圖10b給出了28根HRB400鋼筋試件的強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律.同理可以得出式(10)所示的鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值隨溫差變化的回歸公式,相關(guān)系數(shù)為0.980.αh2=1+0.0025Δt+4×10-5Δt2,Δt≥-200℃(10)式中:αh2為低溫下HRB400鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值,αh2=εh2/εh;εh2為低溫下HRB400鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變;εh為常溫下鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變.圖10c給出了28根HRBF400鋼筋試件的強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值隨溫差的變化規(guī)律.同理,式(11)給出了鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值隨溫差變化的回歸公式,相關(guān)系數(shù)為0.990.αh3=1+0.0026Δt+4×10-5Δt2,Δt≥-200℃(11)式中:αh3為低溫下HRBF400鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值,αh3=εh3/εh;εh3為低溫下HRBF400鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變;εh為常溫下鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變.比較式(9)～式(11)表明,不同鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變隨溫差的變化規(guī)律基本相同,為應(yīng)用方便,統(tǒng)一用式(12)計(jì)算低溫下鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變的相對(duì)值(式(12)和84根鋼筋試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.900).αh=1+0.0021Δt+3×10-5Δt2,Δt≥-200℃(12)式中:αh為低溫下鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變相對(duì)值,αh=εht/εh;εht,εh分別為低溫和常溫下鋼筋的強(qiáng)化應(yīng)變.3.2.3極限應(yīng)變相對(duì)值圖11a,b,c分別給出了HRB335,HRB400,HRBF400各28根鋼筋試件的極限應(yīng)變相對(duì)值和溫差關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果.其中,極限應(yīng)變相對(duì)值為低溫下與室溫下鋼筋強(qiáng)化極限應(yīng)變平均值的比值.由圖可見(jiàn):隨著溫度降低,鋼筋極限應(yīng)變相對(duì)值整體呈降低趨勢(shì),但較為離散.因此,在確定低溫下鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模