螺紋鋼筋疲勞性能測定方法研究

岑 風(fēng)，李 陽，張 珂，褚 峰

（江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625）

螺紋鋼筋疲勞性能測定方法研究

岑 風(fēng)，李 陽，張 珂，褚 峰

（江蘇省沙鋼鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625）

為解決英標(biāo)B500B螺紋鋼在疲勞試驗(yàn)過程中斷裂在試驗(yàn)機(jī)夾具或在2d（d為鋼筋公稱直徑)范圍內(nèi)而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的問題，采用Abaqus軟件模擬疲勞試驗(yàn)時夾持部分的受力分布并分析“斷頭”產(chǎn)生的原因，通過改變樣品表面狀態(tài)、夾持方式、夾持力等方法分析影響疲勞試驗(yàn)的具體因素。結(jié)果表明，試樣受力不均而導(dǎo)致局部應(yīng)力集中是“斷頭”形成的主要原因。通過使用砂輪機(jī)打磨樣品的橫肋，用砂布介質(zhì)作為保護(hù)套和減少夾持力等方法，可改善試樣夾持部位的應(yīng)力集中情況，有效避免“斷頭”現(xiàn)象，使得試驗(yàn)成功率得到極大程度提高。

螺紋鋼；疲勞試驗(yàn)；應(yīng)力集中；“斷頭”現(xiàn)象

0 引 言

熱軋帶肋鋼筋是中國鋼材產(chǎn)品中消耗量最大的品種之一，但隨著國內(nèi)產(chǎn)能的不斷增加，鋼筋類產(chǎn)品的利潤逐步降低。英標(biāo)B500B等出口鋼筋通過余熱處理技術(shù)組織生產(chǎn)，可節(jié)約大量合金成本，因此不少企業(yè)增加了出口鋼筋的產(chǎn)量，但與此同時也帶來了一些檢測相關(guān)的問題。

眾所周知，雖然大型建筑結(jié)構(gòu)的梁柱、橋梁、軌枕等處于靜止?fàn)顟B(tài)，但它們中的混凝土構(gòu)件承受的是多次重復(fù)交變載荷的作用，而混凝土中的鋼筋往往在低于材料允許應(yīng)力的服役條件下產(chǎn)生疲勞破壞[1-4]，因此人們對鋼筋提出了疲勞性能要求。大量機(jī)構(gòu)對影響鋼筋疲勞性能的合金元素、生產(chǎn)工藝等因素進(jìn)行了研究，也得到相關(guān)結(jié)論[5-11]，但鋼筋的疲勞性能測試尚存在一個關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，即夾持問題[12-13]。英國標(biāo)準(zhǔn)BS 4449——2005+A2——2009[14]規(guī)定：試樣需承受5×106周次應(yīng)力循環(huán)不斷裂，如未達(dá)到應(yīng)力循環(huán)周次，且斷裂發(fā)生在距試驗(yàn)機(jī)夾具2d（d為鋼筋公稱直徑)范圍內(nèi)（俗稱“斷頭”)，則認(rèn)為試驗(yàn)無效[14]。鋼筋的疲勞試驗(yàn)必須斷在自由長度內(nèi)，才能真實(shí)反映鋼筋的疲勞性能。目前很多企業(yè)的鋼筋疲勞試驗(yàn)都存在試驗(yàn)成功率較低，尤其是鋼筋斷在夾持段內(nèi)的問題，導(dǎo)致浪費(fèi)大量的財力、物力。基于此，本文希望通過分析鋼筋夾持部位的受力情況，得到改善鋼筋疲勞試驗(yàn)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)樣品和疲勞試驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用某廠生產(chǎn)的φ12 mm螺紋鋼B500B，從端部逐個取樣，使用SHIMADZU PDA7000型直讀光譜儀和INSTRON 5582型100 kN材料試驗(yàn)機(jī)分別對其化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如表1和表2所示，成分和性能均符合英國標(biāo)準(zhǔn)BS 4449——2005+A2——2009要求，且較為穩(wěn)定。使用ZEISS Axio Imager Z1m型金相顯微鏡對樣品進(jìn)行金相組織觀察，其組織形貌如圖1所示，直徑1/4位置組織以鐵素體和珠光體為主，晶粒度為9.5級，邊緣組織為回火馬氏體，未見異常組織。

疲勞試驗(yàn)在INSTRON 8801型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)額定載荷±100 kN，最高頻率為50Hz，因試樣循環(huán)位移較大，為保證動態(tài)載荷的準(zhǔn)確，實(shí)際采用試驗(yàn)頻率為20Hz。根據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS 4449——2005+A2——2009要求，循環(huán)次數(shù)為5×106周次，加載波形為正弦波載荷，應(yīng)力范圍為200MPa，應(yīng)力比r為0.2。

表1 實(shí)驗(yàn)所用材料主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 實(shí)驗(yàn)所用材料常規(guī)力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.1 原材料直接夾持試驗(yàn)

采用兩種方式開展疲勞性能試驗(yàn)，一種為鋼筋橫肋接觸夾具面，縱肋位于夾持空隙處，另一種為縱肋接觸夾持面；試樣長度均為30d（d為試樣公稱直徑)，分別試驗(yàn)了5個試樣，結(jié)果均產(chǎn)生“斷頭”現(xiàn)象。對“斷頭”的試樣進(jìn)行了掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)斷口的裂紋源均位于橫肋或縱肋處，裂紋源附近并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷（如圖2所示)。為此，本文采用Abaqus軟件對疲勞試驗(yàn)時夾具與樣品端部的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了鋼筋原樣在兩種夾持條件下的鋼筋應(yīng)力分布。

圖1 金相組織

圖2 斷口處SEM形貌

有限元模型中，夾具的幾何參數(shù)如圖3所示，鋼筋的幾何參數(shù)參見BS 4449——2005+A2——2009；夾具兩個外斜面分別施加垂直的均布壓力，選用靜態(tài)類型分析步進(jìn)行模擬，兩種夾持狀態(tài)下鋼筋的應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖可見，原材夾持時，應(yīng)力最大值位于肋條上，主要原因是肋條部分突起，與夾具接觸面較小，在試驗(yàn)過程中易出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到一定的閾值時，誘發(fā)并產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致裂紋源往往出現(xiàn)在橫肋或縱肋處。所以，應(yīng)力集中是產(chǎn)生斷裂的主要原因。

圖3 有限元模型中夾具的幾何參數(shù)（單位mm)

圖4 試驗(yàn)過程中樣品端部與夾具接觸部分應(yīng)力云圖

2.2 改進(jìn)夾持方式試驗(yàn)

解決樣品應(yīng)力集中問題，可以從增加試樣與夾具的接觸面積或保護(hù)試樣表面，避免夾持傷害兩方面著手。圍繞減少應(yīng)力集中，嘗試了5種方法來提高試驗(yàn)的成功率。

在相同應(yīng)力幅和應(yīng)力比條件下減少試樣長度可以減少試驗(yàn)機(jī)夾頭移動位移，從而提高試驗(yàn)頻率，具體5種方法如下。

1)減小樣品尺寸，試樣長度14d（d為試樣公稱直徑)，為消除夾持壓痕影響，在試樣夾持部位包錫紙作為保護(hù)套。

2)減小樣品尺寸，試樣長度14d，砂輪機(jī)磨掉橫肋，并用砂紙打磨光滑。磨掉產(chǎn)生應(yīng)力集中及應(yīng)力距的橫肋，保留縱肋及熱軋原始表面，可增加試樣與夾具夾持部分的接觸面積。

3)減小樣品尺寸，試樣長度14d，砂輪機(jī)磨掉橫肋，并用砂紙打磨光滑，并降低10MPa夾持力。在保證試樣與夾具不打滑情況，盡量降低夾持力來減少夾具對試樣的傷害。

4)減小樣品尺寸，試樣長度14d，砂輪機(jī)磨掉橫肋，并用砂紙打磨光滑加砂布包裹。使用120目0#砂布包裹夾持部位，可增加摩擦力和減少夾具對試樣的傷害。

5)減小樣品尺寸，試樣長度14d，砂輪機(jī)磨掉橫肋，并用砂紙打磨光滑加砂布包裹，降低10MPa夾持力。

考慮到試驗(yàn)周期較長，為防止試樣夾持部分生銹，試驗(yàn)前試樣夾持部位均加了少許潤滑油。為分析5種方案的可行性，分別開展試驗(yàn)，具體結(jié)果如表3所示。從結(jié)果可以看出：經(jīng)過“減小樣品尺寸，砂輪機(jī)磨掉橫肋，并用砂紙打磨光滑”這種方法處理過的樣品，試驗(yàn)的成功率顯著提高，將試樣的夾持部位用砂布包裹并將夾持力從20MPa降為10MPa后，試驗(yàn)成功率達(dá)到了100%。

2.3 原因分析

樣品直接夾持時，應(yīng)力主要集中在肋條上。通過采用方法1)加錫紙作為保護(hù)套，雖可減輕夾具對樣品的傷害，但無法改變應(yīng)力集中狀態(tài)。斷裂位置均在夾具口附近，裂紋源在橫肋或縱肋處。

方法2)～5)使用砂輪機(jī)打磨掉夾持部位的橫肋后，變?yōu)閳A棒夾持，雖然在沿縱向方向的4個條帶處仍然會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，但是應(yīng)力強(qiáng)度較之前的原材夾持情況已有明顯改善，對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果并未出現(xiàn)代表應(yīng)力顯著集中的深紅色，如圖5所示，從表3可以看出試驗(yàn)循環(huán)周次也較方法1)有較大幅度提升。Abaqus數(shù)值模擬還證實(shí)，夾面和肋條的接觸雖均勻且平行于樣品縱向，但樣品每次斷裂的位置都處于夾具口，其原因在于試驗(yàn)機(jī)受到夾具形狀的影響（見圖5)，在試驗(yàn)機(jī)通過夾具給樣品夾持力的時候，夾具口處的受力是最大的，所以裂紋源往往出現(xiàn)在夾具口附近。

方法4)和5)均使用砂輪機(jī)磨掉橫肋，用砂紙打磨光滑加砂布（0#)包裹，試驗(yàn)循環(huán)周次以及成功率大大提高。有了砂紙作為保護(hù)套，可以增加摩擦力減輕夾具對樣品的傷害；而且，方法5)減小夾持力使夾具對樣品的夾持傷害減小至最低，試驗(yàn)成功率也最高。

表3 5種不同方案的試驗(yàn)結(jié)果

圖5 圓棒夾持樣品端部與夾具接觸部分應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語

1)采用Abaqus軟件對疲勞試驗(yàn)時夾持部分的受力分布情況進(jìn)行了模擬計算和分析，結(jié)果表明“斷頭”產(chǎn)生的主要原因是由于試樣受力不均而導(dǎo)致局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。采用原材料夾持時，應(yīng)力集中在肋條上，易在肋條處引發(fā)裂紋并導(dǎo)致開裂。同時，樣品每次斷裂的位置都處于夾具口，其原因在于試驗(yàn)機(jī)通過夾具給樣品夾持力的時候，夾具口處的受力最大。

2)在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行帶肋鋼筋的疲勞試驗(yàn)時，采用減小夾具加持力、將樣品橫肋磨掉、使用砂紙磨光樣品降低表面粗糙度、加砂布包裹等方法可有效降低疲勞試驗(yàn)時的應(yīng)力集中，提高試驗(yàn)成功率。該方法可對從事疲勞性能試驗(yàn)的檢驗(yàn)人員提供有益參考，也能為企業(yè)通過相關(guān)產(chǎn)品認(rèn)證提供有效的技術(shù)支持。

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Study on the test method for rebar fatigue performance

CEN Feng，LI Yang，ZHANG Ke，CHU Feng
（Institute of Research of Iron and Steel，Shasteel，Zhangjiagang 215625，China）

In order to solve the problem in crack location on fixtures or in 2d（dstands for diameter）for B500B rebar in fatigue test，Abaqus software was used to simulate the force distribution of clamping parts and the causes of end-breaking were researched by changing the sample surface condition，clamping method，clamping force，etc.The results show that the main reason for end-breaking is that the uneven stress of the samples causes local stress concentration. In order to enhance the test success chance to a large extent，the stress concentration of the clamping parts can be improved and the end-breaking can be effectively prevented by the following methods:using grinders to polish the transverse sample ribs，using abrasive band medium as protective jackets，and reducing the clamping force.

rebar；fatigue test；stress concentration；end-breaking

A

：1674-5124（2015）10-0125-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.028

2015-02-01；

：2015-03-05

岑 風(fēng)（1981-)，男，江蘇張家港市人，工程師，主要從事鋼鐵材料性能測試與科研工作。