鋼筋力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)試驗(yàn)速率的正確選擇

摘要：熱軋帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋的拉伸試驗(yàn)均采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228，新標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法》，與舊標(biāo)準(zhǔn)相比有了較大的變化，其中在試驗(yàn)速率控制方面，增加了方法A應(yīng)變速率控制方法，方法A（應(yīng)變速率控制）和方法B（應(yīng)力速率控制）中對(duì)于不同的參數(shù)測(cè)定所采用的速率都有明確規(guī)定。

關(guān)鍵詞：鋼筋 力學(xué)性能 試驗(yàn)速率 應(yīng)變速率 應(yīng)力速率

1 前言

熱軋帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋（以下簡(jiǎn)稱鋼筋）執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 1499.2-2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》和GB1499.1-2008《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》，鋼筋的力學(xué)性能對(duì)于鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的作用發(fā)揮十分重要，鋼筋的牌號(hào)也是由鋼筋的屈服強(qiáng)度特征值所表示，在GB 1499.1-2008和GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)中鋼筋的力學(xué)性能包括屈服強(qiáng)度R_eL（即下屈服強(qiáng)度）、抗拉強(qiáng)度R_m、斷后伸長(zhǎng)率A、最大力總伸長(zhǎng)率A_gt等，這些力學(xué)性能特征值的測(cè)定均采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)證明，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中，試樣的變形速率直接影響試樣的結(jié)果，尤其是對(duì)于屈服強(qiáng)度R_eL的測(cè)定，對(duì)試驗(yàn)速率的大小十分敏感，而且用應(yīng)變速率控制的檢測(cè)數(shù)據(jù)比位移控制速率更穩(wěn)定。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，GB/T 228.1-2010修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6892-1：2009，給出了方法A（應(yīng)變速率控制）和方法B（應(yīng)力速率控制）兩種控制速率的方法。其中方法A一方面可以減小試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度，另一方面增強(qiáng)了試驗(yàn)結(jié)果的可比性。這種控制模式也是即將廣泛推行的方法。

2 應(yīng)力、應(yīng)力速率、應(yīng)變、應(yīng)變速率、橫梁位移速率、負(fù)荷速率的理解

有些檢測(cè)員對(duì)于這幾個(gè)概念混淆不清，尤其是對(duì)于應(yīng)變速率的理解，我們多數(shù)使用的設(shè)備只能用應(yīng)力速率（單位MPa/s）進(jìn)行控制，但標(biāo)準(zhǔn)中部分環(huán)節(jié)要求使用應(yīng)變速率（單位s^-1）來(lái)控制。下面就對(duì)這幾個(gè)常用的概念加以說(shuō)明。

2.1 應(yīng)力、應(yīng)力速率

應(yīng)力是指試驗(yàn)期間任一時(shí)刻的力除以試樣原始橫截面積S₀之商，如式（1）所示；應(yīng)力速率指單位時(shí)間應(yīng)力的增加，如式（2）所示。

R=F/S₀

…………（1）

其中：

R——應(yīng)力（N/m㎡或MPa）；

F——軸線方向受到的力（N）；

S₀——試樣橫截面積（m㎡）。

R=ΔR/Δt

…………（2）

其中：

R——應(yīng)力速率（MPa/s）；

ΔR——某一時(shí)段應(yīng)力增加量（MPa）；

Δt——-產(chǎn)生AR所用的時(shí)間（s）。

2.2 應(yīng)變、應(yīng)變速率

應(yīng)變速率是指用引伸計(jì)標(biāo)距L_e測(cè)量時(shí)單位時(shí)間的應(yīng)變?cè)黾又怠?duì)于一個(gè)單元體來(lái)講，當(dāng)受到外力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生線應(yīng)變和角應(yīng)變（或切應(yīng)變），我們所說(shuō)的應(yīng)變是指線應(yīng)變，用e表示，線應(yīng)變和角應(yīng)變都是無(wú)量綱的量，拿線應(yīng)變來(lái)講，是由某一方向的長(zhǎng)度在變形前后的改變量與原長(zhǎng)之比，如式（3）所示，線應(yīng)變以伸長(zhǎng)為正，縮短為負(fù)。理解了線應(yīng)變，應(yīng)變速率就迎刃而解了，如式（4）所示。

e=ΔL/L₀

…………（3）

其中：

e——線應(yīng)變；

ΔL——某一方向長(zhǎng)度的改變量（mm）；

L₀——某一方向的原長(zhǎng)度（mm）。

2.3 橫梁位移速率負(fù)荷速率

橫梁位移速率指單位時(shí)間的橫梁位移（mm/s），試樣拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，橫梁位移速率與應(yīng)變速率之間的轉(zhuǎn)換如式（5）和式（6）所示。

鋼的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)力速率為6～60MPa/s，但有些時(shí)候應(yīng)力速率也不是很直觀，轉(zhuǎn)換為負(fù)荷速率控制就比較簡(jiǎn)單直觀，由平均應(yīng)力速率轉(zhuǎn)換推導(dǎo)出負(fù)荷速率如式（7）所示；在彈性范圍內(nèi)平均應(yīng)力速率為R_平=ΔF/（Δt·S₀），則

ΔF/Δt=R_平·S₀

其中：

3 應(yīng)變速率控制的試驗(yàn)速率（方法A）

當(dāng)選用方法A時(shí)，即應(yīng)變速率控制，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)的要求很高，要求試驗(yàn)機(jī)必須具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制功能，能夠有效的控制不同時(shí)段的試驗(yàn)速率。GB/T 228.1-2010中給出了兩種不同類型的應(yīng)變速率控制模式，一種是通過(guò)引伸計(jì)的反饋來(lái)控制的應(yīng)變速率，另一種是根據(jù)平行長(zhǎng)度估計(jì)的應(yīng)變速率（即通過(guò)控制平行長(zhǎng)度與需要的應(yīng)變速率相乘而得到的橫梁位移速率），對(duì)于不同的檢測(cè)項(xiàng)目，標(biāo)準(zhǔn)中給出了相應(yīng)的試驗(yàn)速率，尤其是對(duì)于不連續(xù)屈服的材料，應(yīng)選用根據(jù)平行長(zhǎng)度部分估計(jì)的應(yīng)變速率來(lái)控制。如圖1所示。

下面來(lái)說(shuō)說(shuō)用方法A測(cè)定鋼筋的力學(xué)性能時(shí)試驗(yàn)速率的正確選擇。根據(jù)速率選用圖表所示，在測(cè)定屈服強(qiáng)度（即下屈服強(qiáng)度R_eL）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)推薦使用范圍2的速率，即0.00020～0.00030s^-1，也可選用范圍3的速率；在測(cè)定抗拉強(qiáng)度R_m、斷后伸長(zhǎng)率A、最大力總伸長(zhǎng)率A_gt時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)推薦選用范圍4的速率，即0.32～0.48min^-1，也可選用范圍2和范圍3的速率，如果僅僅測(cè)定抗拉強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)范圍3或范圍4得到的平行長(zhǎng)度估計(jì)的應(yīng)變速率適用于整個(gè)試驗(yàn)，這樣可以簡(jiǎn)化整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。

4 應(yīng)力速率控制的試驗(yàn)速率（方法B）

在選用方法B時(shí)，需要試驗(yàn)機(jī)既可以控制應(yīng)力速率，又可以控制應(yīng)變速率，因?yàn)閼?yīng)力速率只使用于方法B中彈性階段，當(dāng)我們測(cè)量鋼筋的抗拉強(qiáng)度R_m、斷后伸長(zhǎng)率A、最大力總伸長(zhǎng)率A_gt時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求使用應(yīng)變速率。鋼筋的彈性模量一般都大于150000MPa，所以在彈性范圍和直至上屈服強(qiáng)度，橫梁位移速率應(yīng)保持在6～60MPa/s范圍內(nèi)，在任何情況下，彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力速率不得超過(guò)60MPa/s。在測(cè)定下屈服強(qiáng)度R_eL時(shí)，應(yīng)變速率控制在0.00025～0.0025s^-1之間；在測(cè)定R_m、A、A_gt時(shí)，試驗(yàn)速率可以增大到不大于0.008 s^-1的應(yīng)變速率。

5 小結(jié)

在現(xiàn)實(shí)中多數(shù)實(shí)驗(yàn)室依然使用擺動(dòng)測(cè)力的液壓試驗(yàn)機(jī)，或者是只能控制負(fù)荷速率或應(yīng)力速速的試驗(yàn)機(jī)，這就需要我們加快檢測(cè)設(shè)備的更新?lián)Q代，提高檢測(cè)儀器的控制精度，盡可能選擇具有閉環(huán)控制系統(tǒng)的既能控制應(yīng)力速率也能控制應(yīng)變速率的試驗(yàn)機(jī)；在無(wú)法改變?cè)O(shè)備現(xiàn)狀的情況下，可以利用速率間的相互轉(zhuǎn)化，將應(yīng)變速率等效為相應(yīng)的橫梁位移速率，或者將應(yīng)力速率轉(zhuǎn)換為負(fù)荷速率，從而與標(biāo)準(zhǔn)要求相切合，進(jìn)而提高試驗(yàn)結(jié)果的可比性，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，減小試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度。