基于不同速率的熱軋帶肋鋼筋能力驗證試驗研究

陳 煒

（中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361006）

對于檢驗檢測機構試驗室的金屬材料力學性能檢測而言，拉伸性能試驗是最為重要的檢測項目之一，原因在于其是工程結構力學施工及設計中最為關鍵的影響因素，故保障其檢測質量對于檢驗檢測機構而言十分重要。

1 拉伸能力驗證試驗概述

通常而言，國家及省級質量監督中心對于各試驗室金屬材料力學性能的檢測質量控制大多通過熱軋帶肋鋼筋拉伸能力驗證試驗來進行，而熱軋帶肋鋼筋拉伸能力驗證試驗方案的可靠性對比對結果的可比性、比對結果評判的科學性有著至關重要的影響。《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）為現行金屬材料常溫拉伸試驗方法標準，其中規定了兩種拉伸速率控制方案，即應變速率控制方法（方法A）和應力速率控制方法（方法B）[1]。其中，方法A為仲裁方法，其較方法B測試結果更穩定。但是采用應變速率控制方法對試驗機的要求較高，要求試驗機應該具有應變測量系統，然而，在許多檢驗檢測機構試驗室特別是一些較老的檢驗檢測機構試驗室中，由于條件有限，所用設備大多不能滿足此要求，不便采用方法A進行試驗，故現在各級組織的熱軋帶肋鋼筋拉伸能力驗證試驗通常會規定可采用兩種方法速率并行的能力驗證試驗方案。

2 拉伸性能試驗驗證方案

現摘抄2019年度某省級檢驗檢測機構能力驗證作業指導書中關于金屬材料（鋼筋）拉伸試驗中試驗速率的規定，如下。

（1）速率a：對于普通液壓式萬能試驗機，在彈性階段應力速率控制在20MPa/s左右，直至屈服結束，油閥不再調節。屈服之后，試驗速率參照標準《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）執行。

（2）速率b：對電液伺服萬能試驗機或電子萬能試驗機，在彈性階段和屈服階段均采用位移速率3mm/min。屈服之后，試驗速率參照標準《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1－2010）執行。

試驗結果依據以下規定修約：抗拉強度（Rm）、下屈服強度（ReL）修約到1MPa；斷后伸長率（A）修約到0.5%。

3 鋼筋拉伸能力驗證試驗

3.1 試驗樣品

選擇1根外觀質量、尺寸合格的牌號為HRB400E、公稱直徑為16mm的熱軋帶肋鋼筋，截取12根長度約400mm的試樣。截取試樣時，去除了端頭部分并在切割試樣時采用冷切割，將12根鋼筋隨機分為兩組，并將其編號為2019GYBD-001～012，然后用標簽進行標志，整個能力驗證試驗過程中保證標志流轉連續。

3.2 試驗設備

熱軋帶肋鋼筋拉伸試驗使用鋼筋標距儀進行原始標距標志，用精度為0.02mm游標卡尺測量斷后標距，試樣平行長度采用精度1mm鋼直尺進行測量，試驗過程用SHT4605G微機控制電液伺服萬能試驗機進行控制，試驗機最大負荷為600kN，設備精度為1級。

試驗前，對所有儀器設備檢校有效期、使用精度、使用性能進行核查。經核查，該次試驗所用儀器設備均在檢校有效期內，所用設備的使用精度、使用性能皆滿足要求。

3.3 試驗過程及注意事項

（1）試驗過程。①核查試驗用熱軋帶肋鋼筋試樣，其外觀無銹蝕、無損傷，標志清晰可見，待測試樣外觀質量滿足要求[2]；試驗開始前1h提前開啟試驗室內空調，設定空調溫度為23℃，核查并記錄試驗室環境溫度，實測能力驗證試驗過程中環境溫度為21.0～23.5℃，滿足（23±5）℃的要求。②使用鋼筋標距儀對待測熱軋帶肋鋼筋樣品平行長度段進行原始標距標記，標記間隔為10mm。標記完畢，對所有試樣原始標距進行測量，其測量結果都滿足要求，原始標距偏差在±0.1mm以內。將待測鋼筋試樣分成兩組進行試驗，其中試樣編號001～006號樣品用速率a進行試驗，試樣編號007～012號樣品用速率b進行試驗。③試驗前應編輯試驗控制方案，首先應將應變速率換算為更加直觀的橫梁分離位移速率，即將平行長度（即鉗口間距離）乘以應變速率。試夾持一根鋼筋試樣，用鋼直尺測量鉗口間距。經測量，該次試驗試樣的平行長度約260mm。④經計算，速率a試驗控制方案編輯如下：下屈服強度ReL，設定應力速率為20MPa/s；抗拉強度Rm、斷后伸長率A的測定，采用推薦速率0.0067s-1，換算為橫梁分離位移速率為1.742mm/s。⑤對于速率b不同試驗階段鉗口分離速率設為：下屈服強度ReL的測定，橫梁分離位移速率為3mm/min；抗拉強度Rm、斷后伸長率A的測定，換算橫梁分離位移速率1.742mm/s。⑥按以上兩種試驗速率，對待測鋼筋樣品分別進行拉伸試驗，測得下屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率等試驗結果數據并實時進行記錄。

（2）試驗過程其他注意事項。試驗操作過程由同一試驗人員完成。試驗加載鏈裝配完成后，鋼筋試樣兩端被夾持前，應先設定力測量系統的零點；每根試樣試驗結束后，應同步記錄試驗結果數據并核查曲線上下屈服點的讀取是否正確；在測試斷后伸長率時，應將試樣盡量保持平直，斷裂位置應緊密接觸。為避免試樣斷裂位置不符合標準規定的條件而報廢試樣，可采用移位法測定斷后伸長率。

4 試驗結果匯總及分析

4.1 試驗數據匯總

該次能力驗證試驗下屈服強度及抗拉強度修約至1MPa，斷后伸長率修約至0.5%。熱軋帶肋鋼筋兩種拉伸試驗速率控制方法的試驗計算結果匯總統計數據如表1所示。

表1 熱軋帶肋鋼筋拉伸能力驗證試驗計算結果數據匯總

4.2 試驗結果分析

對于該次比對試樣用熱軋帶肋鋼筋，采用速率a測得的下屈服強度結果較采用速率b偏大，偏差為1.4%，而兩組試樣試驗結果的變異系數均值為0.3%，其偏差為變異系數的4.6倍，遠超出置信區間3倍范圍；對于抗拉強度，速率a和速率b所測得的結果基本一致，偏差為0%；速率a測得的斷后伸長率結果較速率b則明顯偏小，偏差為5.2%，而兩組試樣試驗結果的變異系數均值為1.1%，其偏差為變異系數的4.7倍，遠超出置信區間3倍范圍。

結合能力驗證試驗過程典型曲線分析，可以發現按速率a進行試驗，從試驗開始到屈服結束，試樣拉伸時間為30～40s，而按速率a進行試驗，從試驗開始到屈服結束，試樣拉伸時間約5min；兩種試驗速率在試樣彈性階段拉伸時間相差較大，速率a在彈性階段測試時間較速率b短，測試速度快，因此增大了荷載的瞬時效應，屈服強度較速率b偏高，同時由于速率b在彈性段加載時間較長，使材料塑性變形更為完全，則斷后伸長率較速率a明顯增大。

基于上述分析可知：

（1）在同一試驗室、同一環境、相同儀器設備、同一人員操作條件下，采用同一能力驗證試驗方案中的兩種不同加載速率，速率a和速率b試驗結果中抗拉強度測試結果基本一致。

（2）速率a中下屈服強度測試結果比速率b明顯偏大，且已經超過試驗室允許偏差范圍內；而速率a斷后伸長率測試結果比速率b明顯偏小，已經遠遠超出試驗室允許偏差范圍。

可見若能力驗證試驗采用此方案，兩種不同試驗速率會帶來較大的偏差，影響能力驗證試驗結果的評判，使能力驗證試驗不能真正反映試驗室在金屬材料拉伸性能測試上能力的差異，應對能力驗證方案中兩種速率的規定進行改進。

5 結束語

熱軋帶肋鋼筋的拉伸能力驗證試驗是檢驗檢測機構試驗室間相對常規的一種對試驗室力學性能檢測質量控制的手段，現行金屬室溫試驗拉伸方法《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）中規定可采用應變速率和應力速率控制兩種方法，然而在不同速率條件下，兩種方法所測得的熱軋帶肋鋼筋拉伸試驗結果中下屈服強度、斷后伸長率會存在不一致的情況。

在能力驗證試驗組織機構策劃能力驗證試驗方案時，為滿足能力驗證方案的科學性、嚴謹性，能力驗證試驗組織機構應充分考慮到兩種速率方案對能力驗證結果的影響。建議能力驗證試驗組織機構應事先進行兩種速率方案間的比對試驗，可采用多種不同的應變速率控制方式進行測試分析，以確認合適的、可比較的應力速率及其相對應的應變速率控制方案。以此來編制能力驗證試驗方案，可以避免不同試驗速率方案導致能力驗證試驗結果不具備可比性從而導致能力驗證試驗報告出現無效的情況，可以更加客觀公正地反映檢驗檢測機構試驗室鋼筋拉伸性能能力情況。