高温下500mpa细晶粒钢筋拉伸性能试验研究

高温下500mpa细晶粒钢筋拉伸性能试验研究

随着国家重点基础研究发展规划（第973计划）项目“现代钢材料大基础研究”的成功，以及“精细骨生产技术研究”的成功，将精细骨钢推广应用在建筑结构中作为研究热点。2008年3月，实施了新标准的“钢筋混凝土用钢纲领钢筋”（gb199.2-2007），并添加了细颗粒钢筋（以下简称薄颗粒钢筋）。并添加了三种类型的汉字prbf335、hbf40和hbf50。作为新一代钢结构的先进材料，薄颗粒钢筋的延伸率与传统的热铬钢筋相同。在炎热过程中，通过控制制造速度和冷却速度以获得薄颗粒组织。当受影响的钢筋的强度相同时，其延展率可以显著提高。如图1所示，在室温下，500mpa细颗粒钢筋的轮廓扩展率优于相同强度的普通褶皱钢筋，对应于普通褶皱钢筋的hpb235。轮廓强度比hb500低。换句话说，强直比s。它符合国际高度延长率钢筋号的要求。根据细颗粒横截面的生产工艺和焊接性能的研究，高温的影响会使细筋横截面的热影响区域的颗粒发生变化，导致相应的性能下降。然而，国内外还没有关于细颗粒横截面的文献。1试验计划1.1试验方法和试验仪器本文试验在同济大学抗火试验室完成.试验采用由上海新三思试验设备有限公司设计并制造的万能试验机,该机最大加载量为1000kN.在万能试验机上安装加温装置后进行高温试验.升温设备采用吉林省三度试验设备有限公司的圆柱形高温加热炉,该炉采用微电脑控制系统,炉外径380mm,炉高500mm.最高升温1000℃,控制精度为0.5℃.高温炉内的温度测点以及变形测量装置如图2所示.应变采集设备为江苏靖江测试仪器有限公司生产的DB3817动态应变采集仪.1.2试验加载方案试件采用广州双菱钢铁有限公司生产的编号为525S的500MPa细晶粒钢筋,其直径为16mm.试验中综合考虑高温炉的长度、万能试验机加载头之间的行程限制及其引伸臂之间的距离,选用试件的长度L0=550mm.已有试验表明,200,300,400,500,600,700℃分别是钢筋各力学性能指标随温度变化趋势发生突变的关键点,故取这些关键点划分温度区段.试件在常温(20℃)及以上6个温度关键点各选3根为1组,共计7组21根试件.试验采用恒温加载方案,即在1h内加热至预设温度并恒温10min后开始加载,加载速率为应变控制,速率为0.02min-1.测量的主要数据包括:温度、轴向拉力和轴向变形.2试验结果2.1试验件的破坏位置不同温度下,7组钢筋试件的表面颜色、断口以及颈缩现象等表观特征如表1所示.从表1可以看出,随着温度的升高,试件的表面颜色逐渐加深,在400℃呈蓝靛色,渐而发黑,700℃时表面明显蜕皮;试件发生破坏的位置由低温区转向高温区,颈缩明显,且区域逐渐变长,断口在20～300℃时为银色、有金属光泽;400℃时显蓝靛色,500℃开始发黑,到600℃时断口无金属光泽;断裂声在20～400℃时为脆响,到500℃时声音变弱,600,700℃发生破坏时没有声音.2.2在高温过程中的力学性能根据试验过程中记录下的各种数据,按下述方法确定钢筋的温度、应力和应变值:取炉膛中部温度作为试件温度;钢筋的应力按式(1)计算;当破坏发生在低温区(20～300℃)时,钢筋的应变值按式(2)计算,当破坏发生在高温区(400～700℃)时,根据温度分布图形面积相等的原则(见图3),钢筋的应变值按式(3)计算.δs(Τ)=Fs(Τ)/A0(1)εs(Τ)=δ(Τ)/L0(2)εs(Τ)=[δ(Τ)-l0δs(Τ)/Es]/lΤ(3)δs(T)=Fs(T)/A0(1)εs(T)=δ(T)/L0(2)εs(T)=[δ(T)−l0δs(T)/Es]/lT(3)式中:T为温度,℃;Fs(T)为试验测得的轴向拉力,N;δ(T)为试验测得的轴向变形值,mm;A0为钢筋的原始面积(不考虑高温下受拉面积的缩减),mm2;Es为常温拉伸试验得到的常温下钢筋的弹性模量,MPa;l0,lT分别为试件换算温度分布图形中常温和试验温度这2个区段的长度,mm.本试验中炉膛高温区净高为300mm,试件标距L0=550mm,故取lT=300mm,l0=250mm.高温下500MPa细晶粒钢筋的各力学性能指标及其应力-应变曲线分别见表2、图4.其中:(1)试件编号的前一个数字表示温度,后一个数字表示该温度下的第几根试件;(2)标注“*”的试件,因其部分试验数据超出3组数据平均值的15%,故视为无效数据;(3)当温度≥300℃时,屈服平台消失,取0.2%残余应变作为名义应变来确定屈服点;(4)屈服应变由试验测得的屈服强度(fTy)和弹性模量(ETs)计算得到;(5)本文中的极限应变定义为极限强度对应的应变.从表2和图4可以看出:500MPa细晶粒钢筋的屈服强度随温度升高而降低,200℃时其屈服强度就有下降,300℃时降至常温下的80%,700℃时则降至常温下的10%,且屈服平台逐渐缩短,屈服点的转折逐渐模糊,超过300℃以后,已无明显的屈服点和屈服平台.屈服应变随温度的变化不规则变动,但差别不大,在结构或构件的高温分析时可取为定值εTy=0.25%.500MPa细晶粒钢筋的极限强度及弹性模量在20～300℃时略有降低,但降低程度较小,可认为300℃以下其极限强度和弹性模量与常温下的相同,400～700℃时较常温时明显下降,到700℃时其极限强度和弹性模量分别降到常温时的9%,12%.500MPa细晶粒钢筋的极限应变随温度的升高而减小,在400℃时突然增大到11.43%,之后又迅速减小,至600℃后变化缓慢.由于500MPa细晶粒钢筋在400℃时的极限应变远远大于混凝土结构设计规范所允许的钢筋最大应变值1.00%,为了方便建立本构模型,本文不考虑400℃时极限应变的增大,这将不会影响混凝土结构的高温分析.文献表明,普通热轧钢筋的延伸率在温度大于300℃后渐次减小,至600℃时最小,之后又有增长;而500MPa细晶粒钢筋延伸率随温度的变化比较特殊,即在200～300℃时明显下降,400℃时出现峰值,之后又缓慢下降,直到700℃时,500MPa细晶粒钢筋软化且发生稳态流变,其延伸率又有增大,达到了26%.当温度大于500℃时,500MPa细晶粒钢筋的应力-应变曲线的强化段逐渐变短,到700℃时其峰部平缓、下降段较不明显,表明钢筋已经软化,弹性模量很低,延伸率较大.3仪式的调整3.1mpa细晶粒的弹性模量在对高温下500MPa细晶粒钢筋的屈服强度、极限强度以及弹性模量随温度变化的计算公式进行拟合时,考虑到国外钢材的性能和标准与国内的相差较大,因而采用国内学者提出的各力学指标计算模型来拟合本文试验数据.经比较后,发现采用过镇海等提出的计算模型其拟合效果最好.当20℃≤T≤700℃时,拟合结果如下屈服强度∶fΤy/fy=11+10.2(Τ/1000)3.5,R2=0.89298(4)极限强度∶fΤu/fu=11+81.2(Τ/1000)7.5,R2=0.97171(5)弹性模量∶EΤs/Es=11+52.5(Τ/1000)6.8,R2=0.97852(6)屈服强度∶fTy/fy=11+10.2(T/1000)3.5,R2=0.89298(4)极限强度∶fTu/fu=11+81.2(T/1000)7.5,R2=0.97171(5)弹性模量∶ETs/Es=11+52.5(T/1000)6.8,R2=0.97852(6)式中:fTy,fTu,ETs分别为不同温度下500MPa细晶粒钢筋的屈服强度、极限强度以及弹性模量;fy,fu,Es分别为常温下500MPa细晶粒钢筋的屈服强度、极限强度以及弹性模量.高温下500MPa细晶粒钢筋屈服强度、极限强度和弹性模量的试验值与拟合曲线以及其他学者所建议计算模型,1)的比较如图5～7所示.对比图5～7可以发现:各位学者建议的高温下普通钢筋屈服强度、弹性模量的计算模型较为离散,但随温度的下降趋势基本一致.国内学者普遍认为,在300℃以内普通热轧钢筋各力学性能指标的降低幅度很小,可视为与常温相同.而500MPa细晶粒钢筋的屈服强度,在温度大于200℃时就有明显降低,即屈服强度劣化的温度点有所提前.高温下500MPa细晶粒钢筋的极限强度随温度的变化规律与过镇海等提出的普通热轧钢筋的计算曲线很相近.由图7还可以发现,采用其他学者计算公式所得钢筋的高温弹性模量值略为偏低.3.2为.............我国细晶粒钢筋的极限应变公式为不同温度下500mpa的细晶粒钢筋.高温下500MPa细晶粒钢筋的屈服应变、极限应变的试验结果及其拟合曲线如图8,9所示.其应力-应变曲线采用过镇海等提出的数学简化模型描述(见图10),曲线分为屈服前的弹性段和屈服后的强化段(见图10(a)),取相对坐标(ξ,η)(见图10(b)),其中:ξ=ε-εΤyεΤu-εΤy,η=σ-fΤyfΤu-fΤyξ=ε−εTyεTu−εTy,η=σ−fTyfTu−fTy,则两部分的计算式为ε≤εΤy时‚σ=EΤsε(7)εΤy<ε≤εΤu时‚σ=fΤy+(fΤu-fΤy)η(8)ε≤εTy时‚σ=ETsε(7)εTy<ε≤εTu时‚σ=fTy+(fTu−fTy)η(8)按本文实测数据拟合后得到η=(1.5ξ-0.5ξ3)0.82‚R2=0.89309(9)εΤy=0.25%(10)εΤu=12.1-26.2(Τ/1000)+16.1(Τ/1000)2,R2=0.93545(11)式中:εTy,εTu分别为不同温度下500MPa细晶粒钢筋的屈服应变和极限应变.公式的适用温度范围为20℃≤T≤700℃.4高温下500mpa细晶粒钢筋的自1.随着温度的升高,500MPa细晶粒钢筋高温下的屈服强度、极限强