木工程中鋼筋拉力的金屬磁記憶研究

(重慶交通大學 重慶 400074)

鋼筋作為普通鋼筋混凝土結構中主要承受拉力的材料，從受載到斷裂一般會經歷彈性、屈服、強化與頸縮四個階段。鋼筋內部應力在到達屈服點之后，會產生較大的塑性變形使得鋼筋混凝土結構出現過大變形與過寬裂縫而不能正常使用。在實際工程中，以鋼筋的屈服強度作為鋼筋的強度限值，且按其屈服下限來確定。因此在鋼筋混凝土結構中，對于鋼筋在受拉過程中應力是否達到屈服強度的判斷與應力的識別十分重要。

一、試驗材料與方法

拉伸試驗采用的試件的為土木工程中用HRB400螺紋鋼筋，每根試件的長度為500mm，拉伸試驗采用直徑為12mm的鋼筋試件。拉伸試驗用于拉伸鋼筋試件的試驗儀器為電動式伺服萬能試驗機，磁信號采集探頭分別選用5cm、10cm、15cm三個提離值進行掃描。

鋼筋試件用于拉伸過程中的漏磁信號的掃描采集使用，事先測定進入屈服強度所需要位移，作為該組鋼筋試件“按位移加載”方式的目標位移。拉伸試驗過程中，伺服萬能試驗機對所有試件均采用“按位移加載”方式加載，加載位移從0mm開始以5mm/min的加載速率拉伸至目標位移。在從0mm拉伸至目標位移的整個拉伸過程中，加載位移每增加1mm則暫停拉伸，待受力穩定后對該加載位移所對應拉力下的鋼筋試件分別進行三個提離值下的金屬磁記憶信號By的采集，鋼筋此時仍然處于拉伸狀態，即在線采集金屬磁記憶信號。該加載位移下的金屬磁記憶信號掃描結束后繼續重復下一個位移步長為1mm的加載和掃描，直至加載的目標位移。

二、結果與討論

直徑為12mm的鋼筋試件進入其屈服階段所需要的加載位移為13mm(屈服階段對應的拉力為56kN)，進入強化階段時的加載位移為21mm，鋼筋的極限抗拉強度所對應的靜載拉力約為67kN。

所以可以確定對于12mm直徑組中的第二根鋼筋試件，靜力加載的最終目標位移為16mm，依據該加載的目標位移，伺服萬能試驗機以5mm/min的加載速率，同時以步長為1mm的位移增量對試件組的第二根鋼筋試件進行加載，加載的同時針對不同提離值的工況進行金屬磁記憶信號的采集。拉伸試驗在每次靜力加載增加1mm加載位移，需要采集試件在該加載位移下的金屬磁記憶信號之前，應先確定鋼筋試件受力穩定，然后再采集其中間段230mm長的金屬磁記憶信號，且采集的金屬磁記憶信號為沿著鋼筋試件長度方向即順筋方向的分量By。

對于整根鋼筋試件By的分布情況，在數值上呈現出兩端小中間大的分布，By數值從兩端到中間連續均勻過渡，沒有出現明顯的數值跳躍現象。根據金屬磁記憶的相關知識可知，在地磁場的作用下，金屬鐵磁性工件會出現自發磁化的現象，在工件的缺陷處會產生自有漏磁場，出現磁場的異常變化，無缺陷處則呈現穩定一致的磁場分布。兩端By數值比中間小的原因可以解釋為鋼筋試件的端頭效應。同時在整個拉伸過程中，隨著試驗中加載位移的增大，鋼筋試件中的金屬磁記憶信號呈現出明顯變化的趨勢，處于拉伸過程中線性彈性階段的金屬磁記憶信號By的變化，較靠近鋼筋試件的屈服階段(非線性彈性階段)的加載更為明顯。在不同提離值工況下，整根鋼筋試件在靜載拉力與外部磁場(主要為地磁場)的共同作用下，整體金屬磁記憶信號的By分量在數值上呈現出先增大后減小的特征，即整根鋼筋試件的By曲線先向上移動然后向下移動，可知隨著拉力的增加，By磁信號在拉伸過程中的非線性彈性階段會出現極值，隨后進入屈服階段By逐漸減小。

直徑12mm的鋼筋試件在不同提離值下所采集到的By磁信號的差值在兩端比中間大。同時，隨著磁信號采集時提離值的增大，鋼筋試件的By磁信號在數值上變小，在采集結果圖中則表現出整根曲線向下移動。

三、結論

本文通過對土木工程中常見的12mm直徑螺紋鋼筋按位移靜力加載，同時在加載過程中采集其表面自發漏磁場信號，通過對其切向分量的分析可以得出，鋼筋試件作為典型的鐵磁材料，在拉力作用下會發生沿拉力方向的應力磁化，導致表面自發漏磁場增強，且鋼筋直徑越大，相同拉應力下漏磁場強度改變越大。單根鋼筋試件在靜力加載的過程中，整根鋼筋的表面磁信號在線彈性階段隨著拉力的增大而單調增加可以據此推斷鋼筋中的拉力大小。當拉應力進入非線性彈性階段時漏磁信號會出現極值且之后改變緩慢，因此該極值可以預示鋼筋試件即將達到屈服點。