2.1 试验现象
不同高温下,钢筋试件的表面颜色和颈缩现象等表观特征如图2所示,试件表面颜色随着温度的升高逐渐加深,在150 ℃和225 ℃时试件表面基本无变化,呈银白色,300 ℃时试件表面颜色呈较浅的金黄色,400 ℃和500 ℃试件表面颜色呈蓝黑色,600 ℃试件表面颜色呈蓝黑色,黑色偏重,700 ℃和800 ℃时试件表面颜色呈黑色.在小于400 ℃时断裂声为脆响,500 ℃和600 ℃时声音变弱,700 ℃和800 ℃发生破坏时基本没有声音.从图2中可以看出,当温度为150～700 ℃时,试件破坏断口呈典型的杯椎状断口,且随着温度的升高断口剪切唇区逐渐规则,低于400 ℃时,剪切唇区局部位置剪切唇尺寸较大,呈刀片形; 高于400 ℃时,断口剪切唇区较规则; 而温度达到800 ℃时,试件断口较整齐,试件表面有横向龟裂纹.
图3为试件不同温度下拉断后试件纵向方向400倍金相组织,从图中可以看出:晶体的取向分布明显偏离随机分布状态,呈现一定的规则性,即呈现明显的织构现象; 室温至700 ℃金相的基本组织为珠光体+铁素体,而800 ℃时发生奥氏体转变,极少量渗碳体开始溶解.
图2 拉断后试件
Fig.2 Broken specimen
图3 拉断后试件金相组织
Fig.3 Macroscopic fracture of broken specimen
2.2 试验数据分析
实测得到600 MPa级高强钢筋经历不同加热温度时的应力-应变曲线,如图4所示,从中可以看出,当温度为150 ℃时,600 MPa级高强钢筋仍然存在屈服阶段,但是当温度大于等于225 ℃时,600 MPa级高强钢筋无屈服阶段.因为室温下晶界和位错周围的柯氏气团对位错滑移有阻碍作用钢铁材料才会出现屈服现象,温度升高时,阻碍作用减小,屈服现象随之逐渐减小至消失.随着温度的升高,钢筋拉断时的应变越来越大,这是因为 高温条件下,原子扩散能力增大,材料中空位数量的增多以及材料变形机制增多,使材料易发生塑性变形,表现为强度降低,塑性变形量增加,即应变增大.
图4 不同温度下600 MPa级高强钢筋应力-应变曲线图
Fig.4 Stress-strain curve of 600 MPa grade high strength rebar steel at different temperatures
利用应力-应变曲线得到不同温度下的极限抗拉强度、屈服强度、极限应变、伸长率和断面收缩率等力学参数,如
表1所示.其中当温度大于300 ℃时,屈服强度的计算方法参考文献[15]方法进行取值,表中数值均为3个试件所得结果平均值.
表1 不同温度下的力学参数
Tab.1 Mechanical parameters at different temperature
从表(1)可以看出,(1)当温度小于225 ℃时,600 MPa级高强钢筋极限强度变化较小,300 ℃时降至常温的93.7%,400 ℃时降至常温的86.1%, 当温度超高600 ℃后,极限强度急剧降低,700 ℃时降至常温的25.7%,800 ℃时降至常温的8.9%,极限应变在300 ℃之前,变化较小,而超过400 ℃之后,极限应变随着温度的升高而降低,800 ℃时为0.0212.(2)当温度小于225 ℃时,600 MPa级高强钢筋屈服强度变化较小,300 ℃时降至常温的93.7%,400 ℃时降至常温的86.1%, 800 ℃时降至常温的8.9%.屈服应变随温度变化而变动,但差别不大.(3)当温度小于225 ℃时,600 MPa级高强钢筋弹性模量变化较小,225 ℃时降至常温的91.5%,300 ℃时降至常温的87.5%,400 ℃时降至常温的79.8%,500 ℃时降至常温的77.6%,当时温度超高500 ℃后,弹性模量降低较快,800 ℃时降至常温的11.2%.(4)当温度小于400 ℃时,随着温度的升高,600 MPa级高强钢筋伸长率变化较小,而超过500 ℃后,伸长率增加较快,800 ℃时升至常温的607%.(5)随着温度的升高,600 MPa级高强钢筋断面收缩率是先升高后降低,500 ℃时是常温时的184.6%,800 ℃时是常温时的149.5%.从图4可以看出,当温度低于500 ℃,颈缩区范围较小,而温度高于600 ℃时,颈缩区范围明显增大,800 ℃高温作用下试件沿纵向方向各截面直径基本一致,断面收缩率在600 ℃以后会降低是因为温度越高,塑性变形不局限在断裂处,试棒整体越容易发生塑性变形.作用在试棒上的应力被分散,材料整体收缩增大,断口伸缩率相对于300～500 ℃时减小.(6)随着温度的升高,600 MPa级高强钢筋极限应变变化较大,随着温度的升高而降低,800 ℃时最小,为0.021 2,只有常温状态下的13.96%.(7)高温下600 MPa级高强钢筋极限强度、屈服强度、弹性模量的试验值与其他学者所建议计算模型取值趋势基本一致,但是取值相差较大,其中屈服强度、弹性模量的试验值与其他学者所建议计算模型取值比较如图5～图6所示,从图中可以看出,当温度大于500 ℃后,600 MPa级高强钢筋的屈服强度和弹性模量折减系数较大.600 MPa级高强钢筋在高温下的伸长率与文献[4]研究结果相差较大,600 MPa级高强钢筋随着温度的升高而增加,在800 ℃时的伸长率为132.7%,而HRBF500钢筋变化无规律,在800 ℃时的伸长率最大,为26%.
图5 不同温度下600 MPa级高强钢筋屈服强度折减系数
Fig.5 Reduction factors of yield strength of 600 MPa grade high strength rebar steel at different temperatures
图6 不同温度下600MPA级高强钢筋弹性模量折减系数
Fig.6 Reduction factors of elastic modulus of 600 MPa grade high strength rebar steel at different temperatures
2.3 高温下600 MPa级高强钢筋力学模型
对高温下600 MPa级高强钢筋的极限强度、屈服强度、弹性模量、伸长率、断面收缩率和极限应变随温度变化的数据进行拟合,得到20 ℃≤T≤800 ℃时600 MPa级高强钢筋力学性能参数拟合表达式,拟合结果如下.
(1)极限强度
(fTu)/(fu)=1
/(1+24.8((T-20)/(1 000))5.94),
R2=0.975 0(1)
(2)屈服强度
(fTy)/(fy)=-2.692 79*10-9*T3+
1.321 72*10-6*T2-4.977 1*10-4*
T+1.005 9,R2=0.968 5(2)
(3)弹性模量
(ETs)/(Es)=-3.128 9*10-9*
T3+1.96*10-6*T2-7.385 2*10-4*
T+1.017 9,R2=0.950 7(3)
(4)伸长率
(ψTu)/ψ=1+36((T-20)/(1 000))7.93,R2=0.987 4(4)
(5)断面收缩率
(6)极限应变
(εTu)/(εu)=1/(1+42.27((T-20)/(1 000))4.72),R2=0.972 3(6)
式中:fTu、fTy、ETs、ψTu、δTu和εTu分别为不同温度下极限强度、屈服强度、弹性模量、伸长率、断面收缩率和极限应变; fu,fy,Es,ψ,δ和ε分别为常温下600 MPa级高强钢筋的极限强度、屈服强度、弹性模量、伸长率、断面收缩率和极限应变,可以看出,拟合优度R2均大于0.95,说明采用拟合得到的公式能较精确表达高温下600 MPa级高强钢筋的力学参数.高温下600 MPa级高强钢筋极限强度、屈服强度、弹性模量、伸长率、断面收缩率和极限应变的试验值与建立的模型比较如图7所示.
图7 高温下600 MPa级高强钢筋力学参数模型和试验值
Fig.7 Mechanics parameter model and experimental values of 600 MPa grade high strength rebar steel at high temperature
3.4 高温下600 MPa级高强钢筋本构模型
εTy由屈服应变和弹性模量反算可得到,可知εTy随温度变化不大,取各种温度下的平均值,即εTy,而极限应变εTu随温度升高而减小,高温下钢筋的极限应变εTu如表1所示,则利用试验数据拟合得到下600 MPa级高强钢筋在不同温度时的极限应变表达式,如公式(6)所示.
高温下钢筋或钢丝的应力-应变曲线的计算模型可采用折线加曲线模型[4]和两折线模型[7],这两个模型均分为屈服前的弹性段和屈服后的强化段,只是强化阶段表达方式有所不同.考虑到工程应用的简便,本文采用两折线模型,则高温下600 MPa级高强钢筋的应力-应变曲线图形如图8所示.
图8 高温下600 MPa级高强钢筋的应力-应变回归曲线
Fig.8 Model stress-strain curves of 600 MPa grade high strength rebar steel at high temperature
不同温度下二折线模型采用统一的计算表达式,如式(8)所示.
式中,ETs是各个温度下钢筋的弹性模量,N/mm2; Esh(T)是各个温度下钢筋的弹性模量,N/mm2; 不同时钢筋进入弹塑性阶段后的切线模量,N/mm2.
