HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

公 偉，胡克旭，王懿迪

HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

公 偉，胡克旭，王懿迪

（同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092）

為研究600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋高溫后的力學(xué)性能，對(duì)HTRB600級(jí)熱處理高強(qiáng)鋼筋進(jìn)行高溫后的拉伸試驗(yàn)。加熱溫度為20、200、300、400、500、600、700 及800℃，在空氣中冷卻之后對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并測(cè)得其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋經(jīng)歷溫度小于600℃時(shí)，其高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常溫下相比無(wú)明顯變化；當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到700℃時(shí)，其高溫后屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度均下降為常溫下的80%左右；當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到800℃時(shí)，其高溫后屈服強(qiáng)度下降為常溫下的60%左右，但極限強(qiáng)度與700℃時(shí)相差不多。高溫對(duì)HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋高溫后彈性模量無(wú)明顯影響。最后提出了HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋的高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化計(jì)算模型。

HTRB600高強(qiáng)鋼筋；高溫后；力學(xué)性能；試驗(yàn)研究

鋼筋高溫后性能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重退化，且退化程度隨經(jīng)歷溫度的升高而增大[1]，現(xiàn)行的建筑防火規(guī)范均針對(duì)普通鋼筋[2-4]，而高強(qiáng)鋼筋與普通鋼筋的高溫后性能并不相同。隨著高強(qiáng)鋼筋的普及，對(duì)其高溫性能的研究具有重要意義。目前相關(guān)研究多集中于500 MPa級(jí)鋼筋[5-15]，相應(yīng)結(jié)果表明：500 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋在經(jīng)歷溫度小于400℃時(shí)其冷卻后殘余性能變化并不明顯，當(dāng)經(jīng)歷溫度大于400℃時(shí)其高溫后殘余力學(xué)性能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重退化。鋼筋與混凝土之間的高溫后的粘結(jié)錨固性能同樣會(huì)隨經(jīng)歷溫度的升高而降低。隨著近年來(lái) 材料科學(xué)的發(fā)展，600 MPa及更高強(qiáng)度的鋼筋正在工程中得到普及，而相應(yīng)的高溫性能研究尚未完全開(kāi)展。本文對(duì)HTRB600級(jí)熱處理高強(qiáng)鋼筋進(jìn)行了高溫后的拉伸試驗(yàn)，分別測(cè)得其經(jīng)歷20、200、300、400、500、600、700及800℃高溫后的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線并提出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。

表1 鋼筋技術(shù)要求Tab. 1 Technical specif i cations of steel bar

表2 鋼筋化學(xué)成分Tab. 2 Chemical composition of steel bar

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)鋼筋的技術(shù)要求及化學(xué)成分如表1和表2所示，鋼筋直徑為16 mm，長(zhǎng)度為1 100 mm。由電熱爐對(duì)鋼筋進(jìn)行加熱，之后進(jìn)行加載并由配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量鋼筋應(yīng)力和應(yīng)變。

1.2 加載方案

試驗(yàn)溫度取為20、200、300、400、500、600、700和800℃，不同溫度下測(cè)試兩根鋼筋如表3所示。升溫速率為5℃/min，當(dāng)爐溫達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫1 h使鋼筋均勻受熱。之后將鋼筋置于空氣中冷卻24 h再進(jìn)行加載，采用應(yīng)變速率控制的方法進(jìn)行試驗(yàn)，鋼筋屈服前和屈服階段應(yīng)變速率取0.005 min-1，鋼筋屈服后應(yīng)變速率取為0.05 min-1直至試件破壞。

表3 試件分組Tab. 3 Testing groups

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及討論

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

經(jīng)歷200℃高溫后的試件與常溫下相比無(wú)明顯區(qū)別；經(jīng)歷300℃高溫后的試件呈淺藍(lán)色；經(jīng)歷400℃與500℃高溫后的試件表面呈現(xiàn)少許青色；經(jīng)歷溫度達(dá)到600℃時(shí)，其表面呈黑色并起殼；經(jīng)歷700℃與800℃高溫后的試件表皮出現(xiàn)脫落。拉伸過(guò)程中，經(jīng)歷溫度低于500℃的鋼筋在屈服前表皮無(wú)脫落且截面無(wú)明顯變化，進(jìn)入強(qiáng)化階段后其表皮開(kāi)始剝落且發(fā)出細(xì)微爆裂聲，之后出現(xiàn)頸縮且拉斷時(shí)發(fā)出巨響；經(jīng)歷溫度大于600℃時(shí)試件在拉伸前期表皮就開(kāi)始剝落，進(jìn)入強(qiáng)化階段后出現(xiàn)頸縮，拉斷的聲音隨溫度的升高而逐漸減小。常溫下鋼筋拉伸斷口如圖1 (a)所示，本次試驗(yàn)各試件斷口截面如圖1 (b)所示。經(jīng)歷溫度小于600℃的試件均能觀測(cè)到斷面三要素；經(jīng)歷溫度大于600℃時(shí)，鋼筋塑性增大以致斷口無(wú)剪切唇，僅剩纖維區(qū)與放射區(qū)，且經(jīng)歷溫度越高，放射區(qū)越明顯。

圖1 鋼筋斷面Fig.1 Cross section of steel bar

2.2 截面收縮率與延伸率

各試件的截面收縮率與延伸率分別示于圖2及圖3。400℃之前鋼筋高溫后的截面收縮率幾乎不變；400℃～600℃之間隨溫度的升高略有增大；700℃之后明顯下降。500℃之前鋼筋高溫后的延伸率隨溫度的升高而減小；500℃以后隨溫度的升高而增大。

圖2 鋼筋截面收縮率Fig.2 Section shrinkage rate of steel bar

圖3 鋼筋延伸率Fig.3 Elongation rate of steel bar

圖4 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of steel bar

圖5 鋼筋屈服強(qiáng)度Fig.5 Yield strength of steel bar

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

各試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，從圖中可以看出：鋼筋高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與常溫下類(lèi)似，有明顯的屈服臺(tái)階。經(jīng)歷溫度小于600℃時(shí)，高溫對(duì)鋼筋高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯影響。經(jīng)歷溫度大于700℃時(shí)，其高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯退化，700℃時(shí)屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度下降為常溫下的80%左右，800℃時(shí)屈服強(qiáng)度下降為常溫下的60%左右，但極限強(qiáng)度與700℃時(shí)相差不多。高溫后鋼筋的彈性模量與常溫下相比幾乎無(wú)變化。

2.4 屈服強(qiáng)度

各試件高溫后屈服強(qiáng)度f(wàn)y(T)與常溫下fy的比值如圖5所示。當(dāng)經(jīng)歷溫度小于600℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度與常溫下相比幾乎不變；當(dāng)溫度大于600℃后迅速下降。回歸分析可得到其簡(jiǎn)化計(jì)算公式如式(1)所示。式中：fy(T)與fy分別為鋼筋高溫后的屈服強(qiáng)度和常溫下的屈服強(qiáng)度；T為鋼筋溫度。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上選取處于屈服階段較后期一個(gè)點(diǎn)(εn, σn)，從這個(gè)點(diǎn)開(kāi)始往強(qiáng)化階段方向取下一個(gè)點(diǎn)(εn+1, σn+1)，應(yīng)變與應(yīng)力增量分別為Δσ與Δε，取其應(yīng)力增長(zhǎng)率為Δσ/Δε，當(dāng)?shù)趎+1級(jí)的應(yīng)力增長(zhǎng)率超過(guò)第n級(jí)應(yīng)力增長(zhǎng)率的α倍的時(shí)候，說(shuō)明應(yīng)力增長(zhǎng)出現(xiàn)突變，曲線進(jìn)入強(qiáng)化階段，將該點(diǎn)定為鋼筋的屈服應(yīng)變。即當(dāng)(Δσn+1/Δεn+1)/( Δσ/Δε)＞α?xí)r，取點(diǎn)(εn+1, σn+1)為鋼筋的屈服應(yīng)變。本次試驗(yàn)中α取為3，各試件高溫后屈服應(yīng)變?chǔ)舮(T)與常溫下εy的比值如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)經(jīng)歷溫度小于500℃時(shí)，高溫后鋼筋的屈服應(yīng)變隨溫度的升高緩慢增大；當(dāng)溫度大于500℃時(shí)，高溫后鋼筋的屈服應(yīng)變迅速增長(zhǎng)。回歸分析可得到其簡(jiǎn)化計(jì)算公式如式（2）所示。式中：εy(T)與εy分別為高溫后鋼筋的屈服強(qiáng)度和常溫下的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變值；T為鋼筋溫度。

2.5 極限強(qiáng)度

各試件高溫后極限強(qiáng)度f(wàn)u(T)與常溫下極限強(qiáng)度f(wàn)u的比值如圖7所示。當(dāng)經(jīng)歷溫度小于500℃時(shí)極限強(qiáng)度無(wú)明顯變化，當(dāng)經(jīng)歷溫度大于500℃時(shí)極限強(qiáng)度迅速降低。回歸分析得到其簡(jiǎn)化計(jì)算模型如式（3）所示。式中：fu(T)與fu分別為高溫后和常溫下的鋼筋極限強(qiáng)度；T為鋼筋溫度。高溫后各試件極限強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變?chǔ)舥(T)與常溫下εu的比值如圖8所示。500℃之前，鋼筋高溫后的極限應(yīng)變隨溫度的增高而降低；當(dāng)溫度大于500℃之后，極限應(yīng)變呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。回歸分析可得到其變化模型如式（4）所示。式中：εu(T)與εu分別為高溫后和常溫下的鋼筋的極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變值；T為鋼筋溫度。

2.6 彈性模量

高溫后鋼筋彈性模量如式（5）所示，式中：E（T）、f（T）與ε（T）分別表示高溫后鋼筋的彈性模量，應(yīng)力與應(yīng)變；T為鋼筋溫度。各試件高溫后彈性模量E(T)與常溫下彈性模量E的比值如圖9所示，從圖中可以看出鋼筋高溫后的彈性模量隨受熱溫度的升高略有降低但并不明顯。回歸分析得到其變化模型如式（6）所示。式中：E(T)與E分別為高溫后和常溫下的鋼筋彈性模量；T為鋼筋溫度。

圖6 鋼筋屈服應(yīng)變Fig.6 Yield strain of steel bar

圖7 鋼筋極限強(qiáng)度Fig.7 Ultimate strength of steel bar

2.7 不同強(qiáng)度鋼筋高溫后力學(xué)性能對(duì)比

選取不同強(qiáng)度鋼筋高溫后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[16-19]與本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度與彈性模量變化如圖10～12所示。從圖中可以看出：不同強(qiáng)度鋼筋高溫后屈服強(qiáng)度均隨受熱溫度的升高而逐漸下降，335 MPa與400 MPa鋼筋高溫后屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致；500 MPa與600 MPa鋼筋高溫后屈服強(qiáng)度在受熱溫度低于600℃時(shí)與普通鋼筋基本一致,當(dāng)受熱溫度高于600℃時(shí)開(kāi)始急速下降；高強(qiáng)鋼絲高溫后屈服強(qiáng)度從300℃開(kāi)始就急速下降且下降速度遠(yuǎn)大于其余鋼筋。不同強(qiáng)度鋼筋高溫后極限強(qiáng)度隨受熱溫度的升高整體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；當(dāng)受熱溫度低于600℃時(shí)各鋼筋高溫后極限強(qiáng)度基本保持一致，當(dāng)受熱溫度大于600℃時(shí)，500 MPa與600 MPa鋼筋高溫后極限強(qiáng)度迅速下降；高強(qiáng)鋼絲高溫后極限強(qiáng)度從200℃開(kāi)始就迅速下降且下降速度明顯大于其余鋼筋。不同強(qiáng)度鋼筋高溫后彈性模量同樣隨著受熱溫度的升高整體上呈下降趨勢(shì)，但下降速度與強(qiáng)度無(wú)明顯關(guān)系。

圖8 鋼筋極限應(yīng)變Fig.8 Ultimate strain of steel bar

圖9 鋼筋彈性模量Fig.9 Elastic modulus of steel bar

3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化計(jì)算模型

由式(1)～(6)，可算出經(jīng)歷任一高溫后HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線上屈服階段結(jié)束點(diǎn)A，極限強(qiáng)度點(diǎn)B和比例極限點(diǎn)C，連接以上各點(diǎn)即可得到其近似應(yīng)力-應(yīng)變曲線。但僅憑三個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合曲線略顯粗略，需要更多關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)保障精度。造成擬合曲線不精確的原因是圓滑曲線部分無(wú)法簡(jiǎn)單地用直線擬合，因此可以將圓滑曲線部分曲率最大的點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)D，使曲線更加精確。如果曲線精度仍不滿足需求，則再取剩余曲線段中曲率最大的點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)E，以此類(lèi)推直至精度滿足需求（本文精度要求擬合曲線與試驗(yàn)曲線之間誤差小于20 MPa）。經(jīng)計(jì)算高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線上（圖4）的關(guān)鍵點(diǎn)如表4所示。

圖10 不同鋼筋高溫后屈服強(qiáng)度Fig.10 Yield strength of rebar after high temperature

圖11 不同鋼筋高溫后極限強(qiáng)度Fig.11 Ultimate strength of rebar after high temperature

圖12 不同鋼筋高溫后彈性模量Fig.12 Elastic modulus of rebar after high temperature

表4 關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變值Tab. 4 Stress and strain value of key points

經(jīng)歷不同高溫后關(guān)鍵點(diǎn)D應(yīng)變值εD(T)與應(yīng)力值σD(T)分別示于圖13及圖14。分別對(duì)其進(jìn)行回歸分析可以得到其簡(jiǎn)化計(jì)算公式。式中：εD(T)與σD(T)分別為鋼筋高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線上關(guān)鍵點(diǎn)D的應(yīng)變與應(yīng)力值； T為鋼筋溫度。

圖13 關(guān)鍵點(diǎn)D應(yīng)變值Fig.13 Strain value of key point D

圖14 關(guān)鍵點(diǎn)D應(yīng)力值Fig.14 Stress value of key point D

現(xiàn)以350℃為例，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程如下：由式(1)～(2)求出屈服階段結(jié)束點(diǎn)A的應(yīng)變與應(yīng)力值分別為1.30%與631.0 MPa；由式(3)～(4)求出極限強(qiáng)度點(diǎn)B的應(yīng)變與應(yīng)力值分別為14.1%與917.4 MPa；由式(5)～(6)求出比例極限點(diǎn)C的應(yīng)變與應(yīng)力值分別為0.66%與631.0 MPa；由式(7)～(8)求出關(guān)鍵點(diǎn)D的應(yīng)變與應(yīng)力值分別為5.55%與782.8 MPa；將以上各點(diǎn)連接即可得到HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋經(jīng)歷350℃高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖15所示。

圖15 鋼筋350℃高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.15 Stress-strain curve of steel bar after 350℃

4 結(jié)論

1）HTRB600級(jí)熱處理高強(qiáng)鋼筋高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征與常溫下類(lèi)似，均有明顯的屈服臺(tái)階。經(jīng)歷溫度小于600℃時(shí)，其高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常溫下相比無(wú)明顯變化；當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到700℃時(shí)，其高溫后屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度均下降為常溫下的80%左右；當(dāng)經(jīng)歷溫度達(dá)到800℃時(shí)，其高溫后屈服強(qiáng)度下降為常溫下的60%左右，但極限強(qiáng)度仍與700℃時(shí)相差不多。

2）溫度對(duì)HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋高溫后彈性模量的影響很小，鋼筋經(jīng)歷溫度小于600℃時(shí)其高溫后彈性模量與常溫下相比無(wú)明顯變化，經(jīng)歷溫度大于600℃時(shí)，高溫后彈性模量開(kāi)始呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)。

3）提出了HTRB600級(jí)高強(qiáng)鋼筋的高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化計(jì)算模型。

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（責(zé)任編輯 王利君）

GONG Wei，HU Kexu，WANG Yidi

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In or der to research the mechanical properties of 600 MPa gra de high-strength steel b ar after high temperature, the tensile strength test on HTRB600 high-strength steel bar after high temperature is conducted. The specimens are heated up to 20, 200, 300, 400, 500, 600, 700 and 800℃ using a electric furnace respectively, then the tensile test is carried out after the specimens are cooled in air and the yield strength, ultimate strenth, elastic modulus and stress-strain curve of the specimens are also measured and recorded simultaneously. The experimental results show that when the temperatu re is lower than 600℃, the stress-strain curve of the HTRB600 steel bar after high temperature has no obvious difference compared with that of the unheated specimens; When the temperature reaches 700℃, the yield strength and ultimate strength of the steel bar after high temperature reduce to 80% of those of the unheated specimens; When the tempe rature reaches 800℃ , the yield strength of the steel bar after high temperature reduces to 60% of that of the unheated specimens wher eas the ultimate strength s still maintaines at the same level to that of the 700℃ heated specimens. The influence of temperature on the elastic modulus of the HTRB600 steel bar after high temperature is also not ovbious. At last, the simplified calculation method for the stress-strain curve of HTRB600 steel bar after high temperature is proposed.

HTRB600 high-strength steel bar; after high temperature; mechanical properties; experimental research

TU375

A

1673-9469（2017）01-0006-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.002

投稿日期：2016-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51478362）

公偉（1989-），男，山東蒙陰人，博士研究生，從事結(jié)構(gòu)抗火及耐久性研究。

Experimental research on mechanical properties of HTRB600 high-strength steel bar after high temperature