方明偉 王重陽 王 丹 王祖玉

(呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

引言

呼倫貝爾地區(qū)位于我國的高緯度高寒地帶，冬季最低氣溫達(dá)到-53.3℃(最北部的漠河市)[1]，施工期短。因?yàn)殇摻罴庸らL度過長不適合室內(nèi)存儲，鋼筋多處在室外裸露存放的環(huán)境[2]，在本地區(qū)氣候條件下設(shè)計(jì)和施工，僅參考常溫氣候條件下的HRB400鋼筋力學(xué)性是不科學(xué)的，長期存放于-35℃～-45℃條件下的HRB400級鋼筋，在短時(shí)間內(nèi)被用于現(xiàn)場施工而引發(fā)鋼筋本身溫度驟變(從-40℃驟變到20℃以上)，其力學(xué)性能變化不能被忽略[3]，因?yàn)榻ㄖ牧系牧W(xué)性能決定著各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能又是整個(gè)建筑物質(zhì)量和安全的關(guān)鍵因素。因此在呼倫貝爾地區(qū)對持續(xù)高寒氣候條件下的HRB400級鋼筋力學(xué)性能的研究將會為本地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全等課題提供著重要的科學(xué)依據(jù)。

國內(nèi)領(lǐng)域?qū)W者的研究重點(diǎn)是低溫條件下鋼材結(jié)構(gòu)的脆性破壞[4]，王元清[5]等人對比三種常用鋼材在20℃～-60℃溫度條件下進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼材的強(qiáng)度隨溫度的降低而增高，伸長率、斷面收縮率隨溫度的降低而減??；劉爽[6]等人對三種不同鋼材(HRB335、HRB400和熱軋HRB400)在-180℃～-80℃溫度條件下進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著溫度的降低基本不變；A Filiatrault和M Holleran為研究低溫對鋼筋力學(xué)性能的影響，在20℃～-40℃溫度條件下進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的降低，鋼筋的強(qiáng)度有適度提高[7]；李金玲等[8]對鋼筋混凝土在低溫條件下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)探究，得出了力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度的降低而升高；謝劍等[9]在20℃～-165℃溫度下進(jìn)行兩種鋼筋的力學(xué)試驗(yàn)，所得屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均增大，伸長率δ和斷后收縮率ψ均減少。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試件制作

圖1 斷裂后試件

1.2 試驗(yàn)加載裝置

加載裝置采用WDW-500E微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)《靜力單軸試驗(yàn)機(jī)檢測》[10]。萬能試驗(yàn)機(jī)根據(jù)《靜力單軸試驗(yàn)機(jī)采集系統(tǒng)的評定》[11]。

圖2 拉伸試驗(yàn)加載儀器圖

1.3 降溫設(shè)備

降溫設(shè)備主要由壓縮機(jī)、膨脹閥等組成，能夠在低溫下進(jìn)行性能試驗(yàn)和科學(xué)研究試驗(yàn)，如超低溫冰箱、冷庫等。市場上能購買到的超低溫冰箱，降溫范圍有限(最低到-60℃左右)，滿足試驗(yàn)中對溫度控制的要求，圖3為HRB400鋼筋降溫采用的低溫試驗(yàn)箱。

圖3 低溫試驗(yàn)箱圖

2 鋼筋力學(xué)特性

分別在20℃、-40℃(從-40℃驟變到20℃以上)兩個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行鋼筋溫度驟變試驗(yàn)，HRB400鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示：

(a) 12組20℃

(b) 12組-40℃

(c) 14組20℃

(d) 14組-40℃

(f) 16組-40℃

分別在20℃、-40℃(從-40℃驟變到20℃以上)兩個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行鋼筋溫度驟變試驗(yàn)，HRB400鋼筋的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示：

表1 12、14、16組試件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 HRB400鋼筋力學(xué)性能分析

試驗(yàn)過程中測量拉伸試件的主要力學(xué)指標(biāo)在20℃、-40℃(從-40℃驟變到20℃以上溫度條件)兩個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行鋼筋溫度驟變試驗(yàn)，得出鋼筋主要力學(xué)參數(shù)。然后總結(jié)溫度驟變狀態(tài)與常溫狀態(tài)鋼筋強(qiáng)塑性指標(biāo)的變化規(guī)律。

圖5 抗拉強(qiáng)度σu、屈服強(qiáng)度σy對比

圖6 斷后伸長率δ、斷后收縮率ψ對比

由圖5可知，試件的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的驟變而提高，與20℃的抗拉強(qiáng)度相比，在-40℃發(fā)生溫度驟變后的抗拉強(qiáng)度分別提高了6.6%；試件的屈服強(qiáng)度隨著溫度的驟變有不同程度的提高，與20℃的屈服強(qiáng)度相比，在-40℃發(fā)生溫度驟變后的屈服強(qiáng)度分別提高了10.1%。

由圖6可知，試件斷后伸長率δ隨著溫度的驟變而減小，與20℃的斷后伸長率相比，在-40℃發(fā)生溫度的驟變后的斷后伸長率降低了12.8%，說明隨著溫度的驟變，試件的斷后收縮率ψ不斷減小，與20℃的斷后收縮率相比，在-40℃發(fā)生溫度驟變后的斷后收縮率降低了6.23%，說明隨著溫度的驟變，試件的塑性降低。

3.2 HRB400鋼筋試驗(yàn)現(xiàn)象分析

由試驗(yàn)得到的18根鋼筋試件的各項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)均比較接近，且均符合我國現(xiàn)規(guī)范要求。試件加載過程一直持續(xù)到試件斷裂，試件的斷面程凹凸陷狀，圖7為鋼筋斷裂后橫截面。

圖7 鋼筋斷裂后橫截面圖

結(jié)語

溫度驟變使鋼筋的屈服強(qiáng)度σy和抗拉強(qiáng)度σu均有所提高，斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ均有所減小；對鋼筋的彈性模量E影響不是很明顯，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀基本類似。