500MPa級熱軋帶肋鋼筋端部縮徑成型試驗研究

陳 科，李智斌，趙 杰，邵康節(jié)，王明亮

（建研科技股份有限公司，北京 100013）

鋼筋直螺紋連接作為混凝土結(jié)構(gòu)工程中鋼筋機械連接的主要形式之一，其接頭質(zhì)量可控，連接效率高，綜合經(jīng)濟效益好，在我國建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，國內(nèi)鋼筋直螺紋連接接頭（以下簡稱鋼筋接頭）以滾軋螺紋工藝為主，按螺紋滾軋前去肋與否又可分為直接滾軋和去肋滾扎。直接滾軋螺紋工藝效率高，但鋼筋橫縱肋公差較大、影響螺紋成型過程，螺紋質(zhì)量離散性較大，在對絲頭質(zhì)量一致性要求較高的場合應(yīng)用受限。以切削剝肋滾扎直螺紋為代表的去肋滾扎技術(shù)，螺紋成型精度較高，但損失了鋼筋橫縱肋，鋼筋橫截面積減小，鋼筋接頭強度有一定程度的降低。

近年來，隨著鋼筋機械連接技術(shù)在混凝土工程復(fù)雜工況中使用需求的提升，國內(nèi)學者先后提出了擠（碾）壓肋成型工藝，即在鋼筋滾軋螺紋前，通過模具冷擠（碾）壓的方法，將螺紋鋼表面的橫縱肋碾平或擠平，以提高螺紋滾扎前鋼筋端部的圓柱度，該工藝一方面生產(chǎn)效率較高，提高了后續(xù)工藝成型的精度和質(zhì)量一致性，另一方面，在不損失鋼筋橫縱肋的前提下，通過冷擠壓促使螺紋鋼筋橫縱肋塑性延展并形成致密的金屬硬化層，提高了成型區(qū)段的表面強度[2]。在工程實踐中，低強度鋼筋應(yīng)用擠（碾）壓肋成型工藝成熟，高強度鋼筋的縮徑成型應(yīng)用較少。

本文針對500MPa 級鋼筋HRB500E 熱軋帶肋鋼筋端部縮徑成型過程，采用縮徑試驗和數(shù)值模擬方法，分析螺紋鋼縮徑過程中的受力情況，探究縮徑成型后螺紋鋼縮徑區(qū)段外表面紋理分布特征和芯部應(yīng)力分布水平，為后續(xù)高強度熱軋帶肋鋼筋縮徑設(shè)備的設(shè)計選型及工藝優(yōu)化提供支撐。

1 螺紋鋼筋縮徑成型機理

1.1 螺紋鋼筋縮徑機構(gòu)

螺紋鋼縮徑機構(gòu)示意圖如圖1 所示。該機構(gòu)主要由機架、縮徑模具、拉杠、壓緊部及配套液壓系統(tǒng)等組成。模套內(nèi)部置有縮徑模具，模套后端與推進油缸連接，外側(cè)通過多組滑動軸承與拉杠連接構(gòu)成滑移副?？s徑機構(gòu)工作時，先將螺紋鋼筋一端固定于壓緊部，另一端懸臂伸出。螺紋鋼到達設(shè)定位置后，觸發(fā)傳感器開關(guān)，模具后端的推進缸在系統(tǒng)指令下按照預(yù)設(shè)軌跡開始動作。螺紋鋼端部進入縮徑模芯后，鋼筋表面橫縱肋在模芯周向和徑向共同擠壓作用下，將逐步塑性屈服和延展硬化，并在鋼筋表面形成致密的金屬硬化層。當鋼筋端部縮徑長度達到預(yù)設(shè)值后，在傳感器觸發(fā)指令下模具回退，并對螺紋鋼一次縮徑區(qū)段進行二次回縮，待模具退回原位置后，縮徑機構(gòu)完成一次縮徑成型。

圖1 螺紋鋼縮徑機構(gòu)示意圖

1.2 縮徑過程成型機理

由縮徑成型工藝過程可知，縮徑模具在推進油缸作用下沿拉杠以速度V運動，與螺紋鋼自由端在模具錐面C點接觸，如圖2 所示。而后鋼筋橫縱肋在模具持續(xù)擠壓下向周邊塑性流動。模具繼續(xù)前移，鋼筋端部塑性屈服區(qū)持續(xù)減徑并在模具定徑區(qū)AB 段形成穩(wěn)定設(shè)計尺寸。鋼筋具有彈塑性特性，其端部變形區(qū)段表面存在細小回彈，模具在回程過程中亦需一定拉力對鋼筋一次縮徑區(qū)進行二次回縮。由于回縮時的模具拉力遠小于去程時的推力，分析時主要選取模具前推過程為研究對象。

圖2 螺紋鋼縮徑成型受力簡圖

考慮鋼筋縮徑過程通常比較平緩，模具前推和回程加速度小，針對鋼筋與模具的接觸作用過程可以簡化為準靜態(tài)過程進行分析[3]。此階段，模具推力Fm主要用于平衡鋼筋與模具接觸區(qū)圓周法向力Fn和切向滑動摩擦力Ff，可表示為

記沿鋼筋軸線方向縮徑區(qū)段等效中徑層的平均厚向應(yīng)力分別為σ1、σ2，模具內(nèi)側(cè)面與鋼筋表面接觸滑動摩擦因子分別為μ1、μ2，二者作用區(qū)段在水平方向投影長度分別為L1、L2，則穩(wěn)態(tài)縮徑過程下的模具推力Fm可表示為

AB段：

BC段：

即，

式中d0——鋼筋外徑尺寸；

ds——縮徑定徑尺寸；

α——模具錐角。

由式(4)可看出，模具縮徑成型推力與材料強化特性參數(shù)σ、縮徑比例m=ds/d0以及模具工藝參數(shù)Li(i=1,2)、α有關(guān)。針對已定縮徑比例m，縮徑推力主要受模具工藝參數(shù)影響，并隨模具錐角α及接觸區(qū)長度Li的增大而增加。而縮徑接觸區(qū)鋼筋橫縱肋變形劇烈，塑性屈服及金屬硬化層特征復(fù)雜，準確獲取穩(wěn)態(tài)縮徑過程下接觸應(yīng)力σ尤為困難。針對成型過程中的應(yīng)力分布水平及鋼筋成型表面特征，本文擬采用試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法開展進一步研究。

2 縮徑成型試驗與分析

2.1 縮徑成型試驗

試驗試樣選用HRB500E-?40 螺紋鋼筋3根，每根鋼筋長度截取為1.2m，去除鋼筋兩端尖銳毛刺。所選試樣同批次鋼筋實測強度平均值σb=560MPa，σs=740MPa，最大力伸長率Agt=15%,模具下錐角設(shè)計角度12°。試驗前，通過縮徑機控制界面設(shè)置鋼筋縮徑長度為0.2m，每根鋼筋縮徑兩端，共構(gòu)成3 組6 根鋼筋頭縮徑試驗。試驗過程中，鋼筋縮徑區(qū)段涂潤滑劑并始終保持浸潤狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 螺紋鋼縮徑試驗

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 縮徑成型推力

記錄每組鋼筋試驗過程中系統(tǒng)壓力表的穩(wěn)態(tài)示值，經(jīng)換算轉(zhuǎn)化為模具推力后統(tǒng)計于表1 中。

表1 縮徑模具推力試驗值

由表1 可看出，針對所選試樣螺紋鋼筋，模具平均推力約為48t，同組試樣縮徑過程中，所需模具推力稍有不同，其差值約為1～2t，不同組試驗縮徑過程中，所需模具推力差值約為1～2.5t。產(chǎn)生差值的主要原因是螺紋鋼筋橫縱肋大小的一致性存在差異，并且試驗過程中需要多次裝卡，縮徑鋼筋理論軸心與模具軸線存在偏差產(chǎn)生。

2.2.2 成型表面特征及應(yīng)力分布

為進一步探究鋼筋縮徑成型過程及其表面應(yīng)力分布特征，根據(jù)縮徑工藝參數(shù)和鋼筋強化特性建立了有限元模型。其中模具設(shè)置為剛體，螺紋鋼網(wǎng)格選用C3D8R 和C3D10M 單元，采用剛體耦合算法設(shè)置模具及螺紋鋼邊界約束，縮徑過程中切向接觸摩擦因子設(shè)置為0.1[3]，法向設(shè)置為硬接觸，采用通用接觸算法模擬螺紋鋼縮徑過程。

對比縮徑試驗與數(shù)值模擬結(jié)果，觀察橫縱肋縮徑后的表面成型特征。由圖4 可看出，數(shù)值模擬得到的螺紋鋼橫縱肋形變特征與縮徑試驗結(jié)果一致。螺紋鋼橫縱肋與模具接觸作用過程中，縱肋軸向擠壓后逐漸向兩邊塑性流動，橫肋在經(jīng)模具擠壓后，沿鋼筋軸向和鋼筋周向方向發(fā)生塑性流動，并在鋼筋表面形成明顯擴展的月牙狀金屬延展層，尤其是在一次縮徑前進方向，月牙狀延展層更明顯，并伴隨細小毛刺邊緣產(chǎn)生。

圖4 縮進數(shù)值模擬與螺紋鋼成型試驗結(jié)果圖

從數(shù)值模擬成型后的鋼筋表面應(yīng)力云圖分布來看，在縱肋擴展兩側(cè)邊緣、橫肋沿鋼筋軸線中間位置及縮徑過渡區(qū)的應(yīng)力較大，在鋼筋基圓范圍內(nèi)的其他區(qū)域應(yīng)力分布較小。這主要是因為，在縱肋被動擠壓向鋼筋周側(cè)塑性流動過程中，由于模具錐角限制，將在周向擴展變形的同時發(fā)生自擠壓，并在邊緣測產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。月牙橫肋中間位置高而厚，在同等成型條件下擠壓變形更劇烈，當達到金屬單元強度極限后繼續(xù)加載，將形成一層致密金屬硬化層并表現(xiàn)為高應(yīng)力區(qū)。

2.2.3 成型內(nèi)部特征及應(yīng)力分布

研究縮徑成型鋼筋內(nèi)部應(yīng)力情況。以鋼筋端部O點為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，隔肋探測垂直鋼筋橫肋截面在軸線方向的應(yīng)力分布水平，如圖5 所示。

由圖5 可看出，縮徑后鋼筋內(nèi)部應(yīng)力分布呈兩邊高中間低的特征。鋼筋外表層由于橫縱肋擠壓屈服延展形成高強硬化層，應(yīng)力水平大致在750～950MPa，而鋼筋芯部受縮肋工藝影響不明顯，應(yīng)力水平集中在200～400MPa，表現(xiàn)為明顯的彈性特征。

圖5 縮徑鋼筋內(nèi)部應(yīng)力分布水平曲線

3 結(jié)論

本文分析了螺紋鋼筋端部縮徑成型工藝過程，基于成型機理，給出了縮徑成型穩(wěn)態(tài)過程下的模具推力方程。針對HRB500E-?40 鋼筋開展了縮徑成型試驗，試驗表明，模具平均推力約為48t。

結(jié)合數(shù)值模擬同等工藝條件下的螺紋鋼縮徑過程，揭示了鋼筋成型表面特征及成型后鋼筋內(nèi)外部應(yīng)力分布水平，結(jié)果表明，成型后鋼筋外層將形成高強金屬硬化區(qū)，芯部仍表現(xiàn)較好韌性。