HTRB600級高強鋼筋高溫后力學性能試驗研究

公 偉，胡克旭，王懿迪

HTRB600級高強鋼筋高溫后力學性能試驗研究

公 偉，胡克旭，王懿迪

（同濟大學 結構工程與防災研究所，上海 200092）

為研究600 MPa級高強鋼筋高溫后的力學性能，對HTRB600級熱處理高強鋼筋進行高溫后的拉伸試驗。加熱溫度為20、200、300、400、500、600、700 及800℃，在空氣中冷卻之后對其進行拉伸試驗并測得其屈服強度、極限強度、彈性模量及應力-應變曲線。試驗結果表明：HTRB600級高強鋼筋經(jīng)歷溫度小于600℃時，其高溫后的應力-應變曲線與常溫下相比無明顯變化；當經(jīng)歷溫度達到700℃時，其高溫后屈服強度與極限強度均下降為常溫下的80%左右；當經(jīng)歷溫度達到800℃時，其高溫后屈服強度下降為常溫下的60%左右，但極限強度與700℃時相差不多。高溫對HTRB600級高強鋼筋高溫后彈性模量無明顯影響。最后提出了HTRB600級高強鋼筋的高溫后應力-應變曲線簡化計算模型。

HTRB600高強鋼筋；高溫后；力學性能；試驗研究

鋼筋高溫后性能會發(fā)生嚴重退化，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)范均針對普通鋼筋[2-4]，而高強鋼筋與普通鋼筋的高溫后性能并不相同。隨著高強鋼筋的普及，對其高溫性能的研究具有重要意義。目前相關研究多集中于500 MPa級鋼筋[5-15]，相應結果表明：500 MPa級高強鋼筋在經(jīng)歷溫度小于400℃時其冷卻后殘余性能變化并不明顯，當經(jīng)歷溫度大于400℃時其高溫后殘余力學性能會發(fā)生嚴重退化。鋼筋與混凝土之間的高溫后的粘結錨固性能同樣會隨經(jīng)歷溫度的升高而降低。隨著近年來 材料科學的發(fā)展，600 MPa及更高強度的鋼筋正在工程中得到普及，而相應的高溫性能研究尚未完全開展。本文對HTRB600級熱處理高強鋼筋進行了高溫后的拉伸試驗，分別測得其經(jīng)歷20、200、300、400、500、600、700及800℃高溫后的屈服強度、極限強度、彈性模量及應力-應變曲線并提出了相應的簡化計算模型。

表1 鋼筋技術要求Tab. 1 Technical specif i cations of steel bar

表2 鋼筋化學成分Tab. 2 Chemical composition of steel bar

1 試驗概況

1.1 試驗材料及設備

試驗鋼筋的技術要求及化學成分如表1和表2所示，鋼筋直徑為16 mm，長度為1 100 mm。由電熱爐對鋼筋進行加熱，之后進行加載并由配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量鋼筋應力和應變。

1.2 加載方案

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

表3 試件分組Tab. 3 Testing groups

2 試驗現(xiàn)象及討論

2.1 試驗現(xiàn)象

經(jīng)歷200℃高溫后的試件與常溫下相比無明顯區(qū)別；經(jīng)歷300℃高溫后的試件呈淺藍色；經(jīng)歷400℃與500℃高溫后的試件表面呈現(xiàn)少許青色；經(jīng)歷溫度達到600℃時，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。拉伸過程中，經(jīng)歷溫度低于500℃的鋼筋在屈服前表皮無脫落且截面無明顯變化，進入強化階段后其表皮開始剝落且發(fā)出細微爆裂聲，之后出現(xiàn)頸縮且拉斷時發(fā)出巨響；經(jīng)歷溫度大于600℃時試件在拉伸前期表皮就開始剝落，進入強化階段后出現(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℃的試件均能觀測到斷面三要素；經(jīng)歷溫度大于600℃時，鋼筋塑性增大以致斷口無剪切唇，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?。?00℃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 鋼筋應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of steel bar

圖5 鋼筋屈服強度Fig.5 Yield strength of steel bar

2.3 應力-應變曲線

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

2.4 屈服強度

各試件高溫后屈服強度fy(T)與常溫下fy的比值如圖5所示。當經(jīng)歷溫度小于600℃時，其屈服強度與常溫下相比幾乎不變；當溫度大于600℃后迅速下降。回歸分析可得到其簡化計算公式如式(1)所示。式中：fy(T)與fy分別為鋼筋高溫后的屈服強度和常溫下的屈服強度；T為鋼筋溫度。從應力-應變曲線上選取處于屈服階段較后期一個點(εn, σn)，從這個點開始往強化階段方向取下一個點(εn+1, σn+1)，應變與應力增量分別為Δσ與Δε，取其應力增長率為Δσ/Δε，當?shù)趎+1級的應力增長率超過第n級應力增長率的α倍的時候，說明應力增長出現(xiàn)突變，曲線進入強化階段，將該點定為鋼筋的屈服應變。即當(Δσn+1/Δεn+1)/( Δσ/Δε)＞α時，取點(εn+1, σn+1)為鋼筋的屈服應變。本次試驗中α取為3，各試件高溫后屈服應變εy(T)與常溫下εy的比值如圖6所示。從圖中可以看出，當經(jīng)歷溫度小于500℃時，高溫后鋼筋的屈服應變隨溫度的升高緩慢增大；當溫度大于500℃時，高溫后鋼筋的屈服應變迅速增長?；貧w分析可得到其簡化計算公式如式（2）所示。式中：εy(T)與εy分別為高溫后鋼筋的屈服強度和常溫下的屈服強度對應的屈服應變值；T為鋼筋溫度。

2.5 極限強度

各試件高溫后極限強度fu(T)與常溫下極限強度fu的比值如圖7所示。當經(jīng)歷溫度小于500℃時極限強度無明顯變化，當經(jīng)歷溫度大于500℃時極限強度迅速降低?；貧w分析得到其簡化計算模型如式（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度；T為鋼筋溫度。高溫后各試件極限強度所對應的極限應變εu(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變隨溫度的增高而降低；當溫度大于500℃之后，極限應變呈現(xiàn)波動趨勢?；貧w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度對應的極限應變值；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，應力與應變；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?；貧w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 鋼筋屈服應變Fig.6 Yield strain of steel bar

圖7 鋼筋極限強度Fig.7 Ultimate strength of steel bar

2.7 不同強度鋼筋高溫后力學性能對比

選取不同強度鋼筋高溫后的試驗數(shù)據(jù)[16-19]與本文試驗數(shù)據(jù)對比，其屈服強度、極限強度與彈性模量變化如圖10～12所示。從圖中可以看出：不同強度鋼筋高溫后屈服強度均隨受熱溫度的升高而逐漸下降，335 MPa與400 MPa鋼筋高溫后屈服強度的變化趨勢基本一致；500 MPa與600 MPa鋼筋高溫后屈服強度在受熱溫度低于600℃時與普通鋼筋基本一致,當受熱溫度高于600℃時開始急速下降；高強鋼絲高溫后屈服強度從300℃開始就急速下降且下降速度遠大于其余鋼筋。不同強度鋼筋高溫后極限強度隨受熱溫度的升高整體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢；當受熱溫度低于600℃時各鋼筋高溫后極限強度基本保持一致，當受熱溫度大于600℃時，500 MPa與600 MPa鋼筋高溫后極限強度迅速下降；高強鋼絲高溫后極限強度從200℃開始就迅速下降且下降速度明顯大于其余鋼筋。不同強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，但下降速度與強度無明顯關系。

圖8 鋼筋極限應變Fig.8 Ultimate strain of steel bar

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

3 應力-應變曲線簡化計算模型

由式(1)～(6)，可算出經(jīng)歷任一高溫后HTRB600級高強鋼筋應力-應變曲線上屈服階段結束點A，極限強度點B和比例極限點C，連接以上各點即可得到其近似應力-應變曲線。但僅憑三個點來擬合曲線略顯粗略，需要更多關鍵點來保障精度。造成擬合曲線不精確的原因是圓滑曲線部分無法簡單地用直線擬合，因此可以將圓滑曲線部分曲率最大的點作為關鍵點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作為關鍵點E，以此類推直至精度滿足需求（本文精度要求擬合曲線與試驗曲線之間誤差小于20 MPa）。經(jīng)計算高溫后應力-應變曲線上（圖4）的關鍵點如表4所示。

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

圖11 不同鋼筋高溫后極限強度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 關鍵點應力與應變值Tab. 4 Stress and strain value of key points

經(jīng)歷不同高溫后關鍵點D應變值εD(T)與應力值σD(T)分別示于圖13及圖14。分別對其進行回歸分析可以得到其簡化計算公式。式中：εD(T)與σD(T)分別為鋼筋高溫后應力-應變曲線上關鍵點D的應變與應力值； T為鋼筋溫度。

圖13 關鍵點D應變值Fig.13 Strain value of key point D

圖14 關鍵點D應力值Fig.14 Stress value of key point D

現(xiàn)以350℃為例，進行簡化計算過程如下：由式(1)～(2)求出屈服階段結束點A的應變與應力值分別為1.30%與631.0 MPa；由式(3)～(4)求出極限強度點B的應變與應力值分別為14.1%與917.4 MPa；由式(5)～(6)求出比例極限點C的應變與應力值分別為0.66%與631.0 MPa；由式(7)～(8)求出關鍵點D的應變與應力值分別為5.55%與782.8 MPa；將以上各點連接即可得到HTRB600級高強鋼筋經(jīng)歷350℃高溫后的應力-應變曲線如圖15所示。

圖15 鋼筋350℃高溫后應力-應變曲線Fig.15 Stress-strain curve of steel bar after 350℃

4 結論

1）HTRB600級熱處理高強鋼筋高溫后的應力-應變曲線特征與常溫下類似，均有明顯的屈服臺階。經(jīng)歷溫度小于600℃時，其高溫后的應力-應變曲線與常溫下相比無明顯變化；當經(jīng)歷溫度達到700℃時，其高溫后屈服強度與極限強度均下降為常溫下的80%左右；當經(jīng)歷溫度達到800℃時，其高溫后屈服強度下降為常溫下的60%左右，但極限強度仍與700℃時相差不多。

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

3）提出了HTRB600級高強鋼筋的高溫后應力-應變曲線簡化計算模型。

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（責任編輯 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

國家自然科學基金資助項目（51478362）

公偉（1989-），男，山東蒙陰人，博士研究生，從事結構抗火及耐久性研究。

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