高溫下500mpa細晶粒鋼筋拉伸性能試驗研究

高溫下500mpa細晶粒鋼筋拉伸性能試驗研究

隨著國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃（第973計劃）項目“現(xiàn)代鋼材料大基礎研究”的成功，以及“精細骨生產(chǎn)技術研究”的成功，將精細骨鋼推廣應用在建筑結(jié)構中作為研究熱點。2008年3月，實施了新標準的“鋼筋混凝土用鋼綱領鋼筋”（gb199.2-2007），并添加了細顆粒鋼筋（以下簡稱薄顆粒鋼筋）。并添加了三種類型的漢字prbf335、hbf40和hbf50。作為新一代鋼結(jié)構的先進材料，薄顆粒鋼筋的延伸率與傳統(tǒng)的熱鉻鋼筋相同。在炎熱過程中，通過控制制造速度和冷卻速度以獲得薄顆粒組織。當受影響的鋼筋的強度相同時，其延展率可以顯著提高。如圖1所示，在室溫下，500mpa細顆粒鋼筋的輪廓擴展率優(yōu)于相同強度的普通褶皺鋼筋，對應于普通褶皺鋼筋的hpb235。輪廓強度比hb500低。換句話說，強直比s。它符合國際高度延長率鋼筋號的要求。根據(jù)細顆粒橫截面的生產(chǎn)工藝和焊接性能的研究，高溫的影響會使細筋橫截面的熱影響區(qū)域的顆粒發(fā)生變化，導致相應的性能下降。然而，國內(nèi)外還沒有關于細顆粒橫截面的文獻。1試驗計劃1.1試驗方法和試驗儀器本文試驗在同濟大學抗火試驗室完成.試驗采用由上海新三思試驗設備有限公司設計并制造的萬能試驗機,該機最大加載量為1000kN.在萬能試驗機上安裝加溫裝置后進行高溫試驗.升溫設備采用吉林省三度試驗設備有限公司的圓柱形高溫加熱爐,該爐采用微電腦控制系統(tǒng),爐外徑380mm,爐高500mm.最高升溫1000℃,控制精度為0.5℃.高溫爐內(nèi)的溫度測點以及變形測量裝置如圖2所示.應變采集設備為江蘇靖江測試儀器有限公司生產(chǎn)的DB3817動態(tài)應變采集儀.1.2試驗加載方案試件采用廣州雙菱鋼鐵有限公司生產(chǎn)的編號為525S的500MPa細晶粒鋼筋,其直徑為16mm.試驗中綜合考慮高溫爐的長度、萬能試驗機加載頭之間的行程限制及其引伸臂之間的距離,選用試件的長度L0=550mm.已有試驗表明,200,300,400,500,600,700℃分別是鋼筋各力學性能指標隨溫度變化趨勢發(fā)生突變的關鍵點,故取這些關鍵點劃分溫度區(qū)段.試件在常溫(20℃)及以上6個溫度關鍵點各選3根為1組,共計7組21根試件.試驗采用恒溫加載方案,即在1h內(nèi)加熱至預設溫度并恒溫10min后開始加載,加載速率為應變控制,速率為0.02min-1.測量的主要數(shù)據(jù)包括:溫度、軸向拉力和軸向變形.2試驗結(jié)果2.1試驗件的破壞位置不同溫度下,7組鋼筋試件的表面顏色、斷口以及頸縮現(xiàn)象等表觀特征如表1所示.從表1可以看出,隨著溫度的升高,試件的表面顏色逐漸加深,在400℃呈藍靛色,漸而發(fā)黑,700℃時表面明顯蛻皮;試件發(fā)生破壞的位置由低溫區(qū)轉(zhuǎn)向高溫區(qū),頸縮明顯,且區(qū)域逐漸變長,斷口在20～300℃時為銀色、有金屬光澤;400℃時顯藍靛色,500℃開始發(fā)黑,到600℃時斷口無金屬光澤;斷裂聲在20～400℃時為脆響,到500℃時聲音變?nèi)?600,700℃發(fā)生破壞時沒有聲音.2.2在高溫過程中的力學性能根據(jù)試驗過程中記錄下的各種數(shù)據(jù),按下述方法確定鋼筋的溫度、應力和應變值:取爐膛中部溫度作為試件溫度;鋼筋的應力按式(1)計算;當破壞發(fā)生在低溫區(qū)(20～300℃)時,鋼筋的應變值按式(2)計算,當破壞發(fā)生在高溫區(qū)(400～700℃)時,根據(jù)溫度分布圖形面積相等的原則(見圖3),鋼筋的應變值按式(3)計算.δs(Τ)=Fs(Τ)/A0(1)εs(Τ)=δ(Τ)/L0(2)εs(Τ)=[δ(Τ)-l0δs(Τ)/Es]/lΤ(3)δs(T)=Fs(T)/A0(1)εs(T)=δ(T)/L0(2)εs(T)=[δ(T)?l0δs(T)/Es]/lT(3)式中:T為溫度,℃;Fs(T)為試驗測得的軸向拉力,N;δ(T)為試驗測得的軸向變形值,mm;A0為鋼筋的原始面積(不考慮高溫下受拉面積的縮減),mm2;Es為常溫拉伸試驗得到的常溫下鋼筋的彈性模量,MPa;l0,lT分別為試件換算溫度分布圖形中常溫和試驗溫度這2個區(qū)段的長度,mm.本試驗中爐膛高溫區(qū)凈高為300mm,試件標距L0=550mm,故取lT=300mm,l0=250mm.高溫下500MPa細晶粒鋼筋的各力學性能指標及其應力-應變曲線分別見表2、圖4.其中:(1)試件編號的前一個數(shù)字表示溫度,后一個數(shù)字表示該溫度下的第幾根試件;(2)標注“*”的試件,因其部分試驗數(shù)據(jù)超出3組數(shù)據(jù)平均值的15%,故視為無效數(shù)據(jù);(3)當溫度≥300℃時,屈服平臺消失,取0.2%殘余應變作為名義應變來確定屈服點;(4)屈服應變由試驗測得的屈服強度(fTy)和彈性模量(ETs)計算得到;(5)本文中的極限應變定義為極限強度對應的應變.從表2和圖4可以看出:500MPa細晶粒鋼筋的屈服強度隨溫度升高而降低,200℃時其屈服強度就有下降,300℃時降至常溫下的80%,700℃時則降至常溫下的10%,且屈服平臺逐漸縮短,屈服點的轉(zhuǎn)折逐漸模糊,超過300℃以后,已無明顯的屈服點和屈服平臺.屈服應變隨溫度的變化不規(guī)則變動,但差別不大,在結(jié)構或構件的高溫分析時可取為定值εTy=0.25%.500MPa細晶粒鋼筋的極限強度及彈性模量在20～300℃時略有降低,但降低程度較小,可認為300℃以下其極限強度和彈性模量與常溫下的相同,400～700℃時較常溫時明顯下降,到700℃時其極限強度和彈性模量分別降到常溫時的9%,12%.500MPa細晶粒鋼筋的極限應變隨溫度的升高而減小,在400℃時突然增大到11.43%,之后又迅速減小,至600℃后變化緩慢.由于500MPa細晶粒鋼筋在400℃時的極限應變遠遠大于混凝土結(jié)構設計規(guī)范所允許的鋼筋最大應變值1.00%,為了方便建立本構模型,本文不考慮400℃時極限應變的增大,這將不會影響混凝土結(jié)構的高溫分析.文獻表明,普通熱軋鋼筋的延伸率在溫度大于300℃后漸次減小,至600℃時最小,之后又有增長;而500MPa細晶粒鋼筋延伸率隨溫度的變化比較特殊,即在200～300℃時明顯下降,400℃時出現(xiàn)峰值,之后又緩慢下降,直到700℃時,500MPa細晶粒鋼筋軟化且發(fā)生穩(wěn)態(tài)流變,其延伸率又有增大,達到了26%.當溫度大于500℃時,500MPa細晶粒鋼筋的應力-應變曲線的強化段逐漸變短,到700℃時其峰部平緩、下降段較不明顯,表明鋼筋已經(jīng)軟化,彈性模量很低,延伸率較大.3儀式的調(diào)整3.1mpa細晶粒的彈性模量在對高溫下500MPa細晶粒鋼筋的屈服強度、極限強度以及彈性模量隨溫度變化的計算公式進行擬合時,考慮到國外鋼材的性能和標準與國內(nèi)的相差較大,因而采用國內(nèi)學者提出的各力學指標計算模型來擬合本文試驗數(shù)據(jù).經(jīng)比較后,發(fā)現(xiàn)采用過鎮(zhèn)海等提出的計算模型其擬合效果最好.當20℃≤T≤700℃時,擬合結(jié)果如下屈服強度∶fΤy/fy=11+10.2(Τ/1000)3.5,R2=0.89298(4)極限強度∶fΤu/fu=11+81.2(Τ/1000)7.5,R2=0.97171(5)彈性模量∶EΤs/Es=11+52.5(Τ/1000)6.8,R2=0.97852(6)屈服強度∶fTy/fy=11+10.2(T/1000)3.5,R2=0.89298(4)極限強度∶fTu/fu=11+81.2(T/1000)7.5,R2=0.97171(5)彈性模量∶ETs/Es=11+52.5(T/1000)6.8,R2=0.97852(6)式中:fTy,fTu,ETs分別為不同溫度下500MPa細晶粒鋼筋的屈服強度、極限強度以及彈性模量;fy,fu,Es分別為常溫下500MPa細晶粒鋼筋的屈服強度、極限強度以及彈性模量.高溫下500MPa細晶粒鋼筋屈服強度、極限強度和彈性模量的試驗值與擬合曲線以及其他學者所建議計算模型,1)的比較如圖5～7所示.對比圖5～7可以發(fā)現(xiàn):各位學者建議的高溫下普通鋼筋屈服強度、彈性模量的計算模型較為離散,但隨溫度的下降趨勢基本一致.國內(nèi)學者普遍認為,在300℃以內(nèi)普通熱軋鋼筋各力學性能指標的降低幅度很小,可視為與常溫相同.而500MPa細晶粒鋼筋的屈服強度,在溫度大于200℃時就有明顯降低,即屈服強度劣化的溫度點有所提前.高溫下500MPa細晶粒鋼筋的極限強度隨溫度的變化規(guī)律與過鎮(zhèn)海等提出的普通熱軋鋼筋的計算曲線很相近.由圖7還可以發(fā)現(xiàn),采用其他學者計算公式所得鋼筋的高溫彈性模量值略為偏低.3.2為.............我國細晶粒鋼筋的極限應變公式為不同溫度下500mpa的細晶粒鋼筋.高溫下500MPa細晶粒鋼筋的屈服應變、極限應變的試驗結(jié)果及其擬合曲線如圖8,9所示.其應力-應變曲線采用過鎮(zhèn)海等提出的數(shù)學簡化模型描述(見圖10),曲線分為屈服前的彈性段和屈服后的強化段(見圖10(a)),取相對坐標(ξ,η)(見圖10(b)),其中:ξ=ε-εΤyεΤu-εΤy,η=σ-fΤyfΤu-fΤyξ=ε?εTyεTu?εTy,η=σ?fTyfTu?fTy,則兩部分的計算式為ε≤εΤy時?σ=EΤsε(7)εΤy<ε≤εΤu時?σ=fΤy+(fΤu-fΤy)η(8)ε≤εTy時?σ=ETsε(7)εTy<ε≤εTu時?σ=fTy+(fTu?fTy)η(8)按本文實測數(shù)據(jù)擬合后得到η=(1.5ξ-0.5ξ3)0.82?R2=0.89309(9)εΤy=0.25%(10)εΤu=12.1-26.2(Τ/1000)+16.1(Τ/1000)2,R2=0.93545(11)式中:εTy,εTu分別為不同溫度下500MPa細晶粒鋼筋的屈服應變和極限應變.公式的適用溫度范圍為20℃≤T≤700℃.4高溫下500mpa細晶粒鋼筋的自1.隨著溫度的升高,500MPa細晶粒鋼筋高溫下的屈服強度、極限強