高溫下600 MPa級高強鋼筋力學性能試驗研究

孫傳智，王可卿，喬 燕，董學娥

(1.宿遷學院 建筑工程系，江蘇 宿遷 223800；2. 宿遷市住房和城鄉建設局，江蘇 宿遷 223800)

火災是造成人類傷亡和經濟損失的主要災害之一.對于鋼筋混凝土結構，如果在其運營期間發生火災，鋼筋和混凝土的力學性能均發生退化，結構承載能力降低，可能導致結構不安全.目前，國內外學者針對高溫下的屈服強度低于500 MPa的鋼筋[1-4]、預應力鋼絞線[5-7]和混凝土[8-10]等材料的力學性能進行了大量試驗研究.其中，呂彤光[1]對建筑結構常用的5種等級(Ⅰ～Ⅴ)在20～800 ℃范圍內的強度、應力-應變曲線、彈性模量和應力下的變形以及短期徐變等進行深入研究；鈕宏[2]對40根普通鋼筋在100～800 ℃范圍內的不同溫度和荷載同時作用下的強度、變形、彈性模量和應力-應變關系等進行了研究；王孔藩[3]進行了圓鋼、螺紋鋼、冷拔和冷軋扭4 種鋼筋高溫下力學性能的試驗研究，同時進行了螺紋鋼筋高溫冷卻后力學性能的試驗研究，并與室溫下鋼筋力學性能進行了對比分析；肖建莊[4]對HRBF500鋼筋在高溫下的力學性能進行試驗研究，得到了高溫下500 MPa細晶粒鋼筋屈服強度、極限強度和彈性模量隨溫度變化的計算公式以及高溫本構模型；文獻[5～7]進行了預應力鋼絞線在不同溫度下的力學性能試驗，得到了可用于理論分析的鋼絞線高溫性能模型和鋼絲的應力-應變關系.

600 MPa級高強鋼筋是新一代建筑鋼材，相比較HRB400和HRB500鋼筋，它集熱軋螺紋鋼的外形尺寸、精軋螺紋鋼的強度級別、低強度鋼筋的伸長率為一體，滿足了我國現行的建筑規范特別是對伸長率的技術要求.這種鋼筋強度高，屈服強度標準值為600 MPa，設計值可達到480 MPa，在高烈度抗震設防地區采用這種鋼筋可以節省鋼筋用量，梁柱節點鋼筋明顯減少，現場容易施工.國內學者針對600 MPa級高強鋼筋混凝土黏結滑移關系[11]和配置該類型鋼筋的混凝土構件力學性能[12-14]進行了研究，該類型鋼筋在實際工程中得到越來越多的應用.但是對其高溫下的力學性能研究卻幾乎沒有.

基于上述原因，本文以600 MPa級高強鋼筋作為研究對象，共進行了9組27根600 MPa級高強鋼筋在不同溫度下的力學性能試驗，得到了不同溫度下600 MPa級高強鋼筋的應力-應變關系，分析了屈服強度、極限強度、彈性模量、斷后伸長率和截面收縮率等變化規律，并得到了高溫下600 MPa級鋼筋屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷面收縮率和伸長率的計算公式.

1 試驗方案

試驗在江蘇奇納新材料有限公司試驗室完成，采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產的UTM5000型電子萬能試驗機，最大加載1 00 kN，升溫設備是圓柱形加熱工作爐，采用微電腦控制系統，爐外徑450 mm，爐高600 mm，其最高溫度可達到1 300 ℃，控制精度為1 ℃，爐內恒溫時間可自動控制，爐膛內壁上、中、下布設3個溫度傳感器，保證爐內溫度上、中、下空間一致，爐內上、中、下溫度可以控制在±1 ℃范圍，溫度傳感器距離試件外徑距離20 mm.試件加熱至預設溫度并恒溫20分鐘后開始加載，加載速率為應變控制，速率為0 .05 min-1.

試件母材采用江蘇沙鋼集團有限公司生產的600 MPa級高強熱軋帶肋鋼筋，肋為月牙形，直徑為25 mm，每組3根，共9組，其中常溫1組，其余8組加熱高溫，溫度分別為150 ℃、225 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃.試件制作參考《金屬材料高溫拉伸試驗方法》(GB/T 228.2-2015)，尺寸如圖1所示，圖中尺寸單位均為mm.在同一批次鋼筋中取3根試件，進行原材料靜力拉伸試驗，各參數取平均值，得到常溫下600 MPa級力學性能為：極限強度為864 MPa，屈服強度為663 MPa，伸長率為21.9%，斷面收縮率為43.6%，彈性模量為2.05×105MPa.

圖1 試件尺寸圖(單位：mm)Fig.1 Size of specimen(Unit:mm)

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象

不同高溫下，鋼筋試件的表面顏色和頸縮現象等表觀特征如圖2所示，試件表面顏色隨著溫度的升高逐漸加深，在150 ℃和225 ℃時試件表面基本無變化，呈銀白色，300 ℃時試件表面顏色呈較淺的金黃色，400 ℃和500 ℃試件表面顏色呈藍黑色，600 ℃試件表面顏色呈藍黑色，黑色偏重，700 ℃和800 ℃時試件表面顏色呈黑色.在小于400 ℃時斷裂聲為脆響，500 ℃和600 ℃時聲音變弱，700 ℃和800 ℃發生破壞時基本沒有聲音.從圖2中可以看出，當溫度為150～700 ℃時，試件破壞斷口呈典型的杯椎狀斷口，且隨著溫度的升高斷口剪切唇區逐漸規則，低于400 ℃時，剪切唇區局部位置剪切唇尺寸較大，呈刀片形；高于400 ℃時，斷口剪切唇區較規則；而溫度達到800 ℃時，試件斷口較整齊，試件表面有橫向龜裂紋.

圖3為試件不同溫度下拉斷后試件縱向方向400倍金相組織，從圖中可以看出：晶體的取向分布明顯偏離隨機分布狀態，呈現一定的規則性，即呈現明顯的織構現象；室溫至700 ℃金相的基本組織為珠光體+鐵素體，而800 ℃時發生奧氏體轉變，極少量滲碳體開始溶解.

圖2 拉斷后試件Fig.2 Broken specimen

圖3 拉斷后試件金相組織Fig.3 Macroscopic fracture of broken specimen

2.2 試驗數據分析

實測得到600 MPa級高強鋼筋經歷不同加熱溫度時的應力-應變曲線，如圖4所示，從中可以看出，當溫度為150 ℃時，600 MPa級高強鋼筋仍然存在屈服階段，但是當溫度大于等于225 ℃時，600 MPa級高強鋼筋無屈服階段.因為室溫下晶界和位錯周圍的柯氏氣團對位錯滑移有阻礙作用鋼鐵材料才會出現屈服現象，溫度升高時，阻礙作用減小，屈服現象隨之逐漸減小至消失.隨著溫度的升高，鋼筋拉斷時的應變越來越大，這是因為高溫條件下，原子擴散能力增大，材料中空位數量的增多以及材料變形機制增多，使材料易發生塑性變形，表現為強度降低，塑性變形量增加，即應變增大.

圖4 不同溫度下600 MPa級高強鋼筋應力-應變曲線圖Fig.4 Stress-strain curve of 600 MPa grade high strength rebar steel at different temperatures

利用應力-應變曲線得到不同溫度下的極限抗拉強度、屈服強度、極限應變、伸長率和斷面收縮率等力學參數，如表1所示.其中當溫度大于300 ℃時，屈服強度的計算方法參考文獻[15]方法進行取值，表中數值均為3個試件所得結果平均值.

表1 不同溫度下的力學參數Tab.1 Mechanical parameters at different temperature

從表(1)可以看出，(1)當溫度小于225 ℃時，600 MPa級高強鋼筋極限強度變化較小，300 ℃時降至常溫的93.7%，400 ℃時降至常溫的86.1%， 當溫度超高600 ℃后，極限強度急劇降低，700 ℃時降至常溫的25.7%，800 ℃時降至常溫的8.9%，極限應變在300 ℃之前，變化較小，而超過400 ℃之后，極限應變隨著溫度的升高而降低，800 ℃時為0.0212.(2)當溫度小于225 ℃時，600 MPa級高強鋼筋屈服強度變化較小，300 ℃時降至常溫的93.7%，400 ℃時降至常溫的86.1%， 800 ℃時降至常溫的8.9%.屈服應變隨溫度變化而變動，但差別不大.(3)當溫度小于225 ℃時，600 MPa級高強鋼筋彈性模量變化較小，225 ℃時降至常溫的91.5%，300 ℃時降至常溫的87.5%，400 ℃時降至常溫的79.8%，500 ℃時降至常溫的77.6%，當時溫度超高500 ℃后，彈性模量降低較快，800 ℃時降至常溫的11.2%.(4)當溫度小于400 ℃時，隨著溫度的升高，600 MPa級高強鋼筋伸長率變化較小，而超過500 ℃后，伸長率增加較快，800 ℃時升至常溫的607%.(5)隨著溫度的升高，600 MPa級高強鋼筋斷面收縮率是先升高后降低，500 ℃時是常溫時的184.6%，800 ℃時是常溫時的149.5%.從圖4可以看出，當溫度低于500 ℃，頸縮區范圍較小，而溫度高于600 ℃時，頸縮區范圍明顯增大，800 ℃高溫作用下試件沿縱向方向各截面直徑基本一致，斷面收縮率在600 ℃以后會降低是因為溫度越高，塑性變形不局限在斷裂處，試棒整體越容易發生塑性變形.作用在試棒上的應力被分散，材料整體收縮增大，斷口伸縮率相對于300～500 ℃時減小.(6)隨著溫度的升高，600 MPa級高強鋼筋極限應變變化較大，隨著溫度的升高而降低，800 ℃時最小，為0.021 2，只有常溫狀態下的13.96%.(7)高溫下600 MPa級高強鋼筋極限強度、屈服強度、彈性模量的試驗值與其他學者所建議計算模型取值趨勢基本一致，但是取值相差較大，其中屈服強度、彈性模量的試驗值與其他學者所建議計算模型取值比較如圖5～圖6所示，從圖中可以看出，當溫度大于500 ℃后，600 MPa級高強鋼筋的屈服強度和彈性模量折減系數較大.600 MPa級高強鋼筋在高溫下的伸長率與文獻[4]研究結果相差較大，600 MPa級高強鋼筋隨著溫度的升高而增加，在800 ℃時的伸長率為132.7%，而HRBF500鋼筋變化無規律，在800 ℃時的伸長率最大，為26%.

圖5 不同溫度下600 MPa級高強鋼筋屈服強度折減系數Fig.5 Reduction factors of yield strength of 600 MPa grade high strength rebar steel at different temperatures

圖6 不同溫度下600MPA級高強鋼筋彈性模量折減系數Fig.6 Reduction factors of elastic modulus of 600 MPa grade high strength rebar steel at different temperatures

2.3 高溫下600 MPa級高強鋼筋力學模型

對高溫下600 MPa級高強鋼筋的極限強度、屈服強度、彈性模量、伸長率、斷面收縮率和極限應變隨溫度變化的數據進行擬合，得到20 ℃≤T≤800 ℃時600 MPa級高強鋼筋力學性能參數擬合表達式，擬合結果如下.

(1)極限強度

(1)

(2)屈服強度

(2)

(3)彈性模量

(3)

(4)伸長率

(4)

(5)斷面收縮率

(5)

(6)極限應變

(6)

圖7 高溫下600 MPa級高強鋼筋力學參數模型和試驗值Fig.7 Mechanics parameter model and experimental values of 600 MPa grade high strength rebar steel at high temperature

3.4 高溫下600 MPa級高強鋼筋本構模型

高溫下鋼筋或鋼絲的應力-應變曲線的計算模型可采用折線加曲線模型[4]和兩折線模型[7]，這兩個模型均分為屈服前的彈性段和屈服后的強化段，只是強化階段表達方式有所不同.考慮到工程應用的簡便，本文采用兩折線模型，則高溫下600 MPa級高強鋼筋的應力-應變曲線圖形如圖8所示.

圖8 高溫下600 MPa級高強鋼筋的應力-應變回歸曲線Fig.8 Model stress-strain curves of 600 MPa grade high strength rebar steel at high temperature

不同溫度下二折線模型采用統一的計算表達式，如式(8)所示.

(7)

4 結論

本文以600 MPa級高強鋼筋作為研究對象，進行了9組共27根600 MPa級高強鋼筋在不同溫度下的力學性能試驗，針對試驗數據進行了分析，主要結論如下：

(1) 隨著溫度的升高，600 MPa級高強鋼筋高溫下的屈服強度、極限強度、彈性模量、斷面收縮率、伸長率和極限應變等力學性能變化規律不一.極限強度在400 ℃時明顯降低約，溫度超高600 ℃后，極限強度急劇降低；屈服強度在300 ℃時低于600 MPa，為592 MPa；斷面收縮率隨溫度的升高是先升高后降低, 在500 ℃時達到峰值；伸長率是隨著溫度的升高而增加，超過500 ℃，伸長率增加較快.

(2) 高溫下600 MPa級高強鋼筋的極限強度、屈服強度和彈性模量等力學性能退化規律與其它低強度鋼筋退化規律基本一致，但是高溫下600 MPa級高強鋼筋和HRBF500鋼筋的伸長率變化規律相差較大，600 MPa級高強鋼筋隨著溫度的升高而增加，而HRBF500鋼筋隨著溫度的升高變化無規律，差別較大.

(3)不同溫度下拉斷后晶體分布偏離隨機分布狀態，呈現明顯的織構現象；室溫至700 ℃時基本組織為珠光體+鐵素體；800 ℃時開始發生奧氏體轉變，極少量滲碳體開始溶解.

(4)得到了高溫下600 MPa級高強鋼筋的屈服強度、極限強度、彈性模量、斷面收縮率、伸長率和極限應變等力學參數與溫度的關系表達式，并建議了其高溫下的本構模型.