高温下600 MPa级高强钢筋力学性能试验研究

孙传智，王可卿，乔 燕，董学娥

(1.宿迁学院 建筑工程系，江苏 宿迁 223800；2. 宿迁市住房和城乡建设局，江苏 宿迁 223800)

火灾是造成人类伤亡和经济损失的主要灾害之一.对于钢筋混凝土结构，如果在其运营期间发生火灾，钢筋和混凝土的力学性能均发生退化，结构承载能力降低，可能导致结构不安全.目前，国内外学者针对高温下的屈服强度低于500 MPa的钢筋[1-4]、预应力钢绞线[5-7]和混凝土[8-10]等材料的力学性能进行了大量试验研究.其中，吕彤光[1]对建筑结构常用的5种等级(Ⅰ～Ⅴ)在20～800 ℃范围内的强度、应力-应变曲线、弹性模量和应力下的变形以及短期徐变等进行深入研究；钮宏[2]对40根普通钢筋在100～800 ℃范围内的不同温度和荷载同时作用下的强度、变形、弹性模量和应力-应变关系等进行了研究；王孔藩[3]进行了圆钢、螺纹钢、冷拔和冷轧扭4 种钢筋高温下力学性能的试验研究，同时进行了螺纹钢筋高温冷却后力学性能的试验研究，并与室温下钢筋力学性能进行了对比分析；肖建庄[4]对HRBF500钢筋在高温下的力学性能进行试验研究，得到了高温下500 MPa细晶粒钢筋屈服强度、极限强度和弹性模量随温度变化的计算公式以及高温本构模型；文献[5～7]进行了预应力钢绞线在不同温度下的力学性能试验，得到了可用于理论分析的钢绞线高温性能模型和钢丝的应力-应变关系.

600 MPa级高强钢筋是新一代建筑钢材，相比较HRB400和HRB500钢筋，它集热轧螺纹钢的外形尺寸、精轧螺纹钢的强度级别、低强度钢筋的伸长率为一体，满足了我国现行的建筑规范特别是对伸长率的技术要求.这种钢筋强度高，屈服强度标准值为600 MPa，设计值可达到480 MPa，在高烈度抗震设防地区采用这种钢筋可以节省钢筋用量，梁柱节点钢筋明显减少，现场容易施工.国内学者针对600 MPa级高强钢筋混凝土黏结滑移关系[11]和配置该类型钢筋的混凝土构件力学性能[12-14]进行了研究，该类型钢筋在实际工程中得到越来越多的应用.但是对其高温下的力学性能研究却几乎没有.

基于上述原因，本文以600 MPa级高强钢筋作为研究对象，共进行了9组27根600 MPa级高强钢筋在不同温度下的力学性能试验，得到了不同温度下600 MPa级高强钢筋的应力-应变关系，分析了屈服强度、极限强度、弹性模量、断后伸长率和截面收缩率等变化规律，并得到了高温下600 MPa级钢筋屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断面收缩率和伸长率的计算公式.

1 试验方案

试验在江苏奇纳新材料有限公司试验室完成，采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的UTM5000型电子万能试验机，最大加载1 00 kN，升温设备是圆柱形加热工作炉，采用微电脑控制系统，炉外径450 mm，炉高600 mm，其最高温度可达到1 300 ℃，控制精度为1 ℃，炉内恒温时间可自动控制，炉膛内壁上、中、下布设3个温度传感器，保证炉内温度上、中、下空间一致，炉内上、中、下温度可以控制在±1 ℃范围，温度传感器距离试件外径距离20 mm.试件加热至预设温度并恒温20分钟后开始加载，加载速率为应变控制，速率为0 .05 min-1.

试件母材采用江苏沙钢集团有限公司生产的600 MPa级高强热轧带肋钢筋，肋为月牙形，直径为25 mm，每组3根，共9组，其中常温1组，其余8组加热高温，温度分别为150 ℃、225 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃.试件制作参考《金属材料高温拉伸试验方法》(GB/T 228.2-2015)，尺寸如图1所示，图中尺寸单位均为mm.在同一批次钢筋中取3根试件，进行原材料静力拉伸试验，各参数取平均值，得到常温下600 MPa级力学性能为：极限强度为864 MPa，屈服强度为663 MPa，伸长率为21.9%，断面收缩率为43.6%，弹性模量为2.05×105MPa.

图1 试件尺寸图(单位：mm)Fig.1 Size of specimen(Unit:mm)

2 试验结果与分析

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

(1)

(2)屈服强度

(2)

(3)弹性模量

(3)

(4)伸长率

(4)

(5)断面收缩率

(5)

(6)极限应变

(6)

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

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.

(7)

4 结论

本文以600 MPa级高强钢筋作为研究对象，进行了9组共27根600 MPa级高强钢筋在不同温度下的力学性能试验，针对试验数据进行了分析，主要结论如下：

(1) 随着温度的升高，600 MPa级高强钢筋高温下的屈服强度、极限强度、弹性模量、断面收缩率、伸长率和极限应变等力学性能变化规律不一.极限强度在400 ℃时明显降低约，温度超高600 ℃后，极限强度急剧降低；屈服强度在300 ℃时低于600 MPa，为592 MPa；断面收缩率随温度的升高是先升高后降低, 在500 ℃时达到峰值；伸长率是随着温度的升高而增加，超过500 ℃，伸长率增加较快.

(2) 高温下600 MPa级高强钢筋的极限强度、屈服强度和弹性模量等力学性能退化规律与其它低强度钢筋退化规律基本一致，但是高温下600 MPa级高强钢筋和HRBF500钢筋的伸长率变化规律相差较大，600 MPa级高强钢筋随着温度的升高而增加，而HRBF500钢筋随着温度的升高变化无规律，差别较大.

(3)不同温度下拉断后晶体分布偏离随机分布状态，呈现明显的织构现象；室温至700 ℃时基本组织为珠光体+铁素体；800 ℃时开始发生奥氏体转变，极少量渗碳体开始溶解.

(4)得到了高温下600 MPa级高强钢筋的屈服强度、极限强度、弹性模量、断面收缩率、伸长率和极限应变等力学参数与温度的关系表达式，并建议了其高温下的本构模型.