工程科学学报，第39卷，第9期：1428-1435,2017年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.9:1428-1435,September 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.017:htp:/journals..usth.edu.cn HTRB600级高强钢筋高温下的力学性能 公 伟区，胡克旭，王懿迪 同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092 ☒通信作者，E-mail:weig0ng890413@q4.com 摘要为研究6O0MPa级高强钢筋高温下的力学性能，对HTRB6O0级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验，分别测得其 在20,200,300,400,500,600,700及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力-应变曲线.试验结 果表明：HTRB600级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低.500℃时其高 温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的50%，800℃时已不足常温下的10%.高温下 HTRB600级高强钢筋应力-应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑，当温度达到200℃时，屈服台阶就已消失.600MP级钢筋 高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋5 00 MPa以下强度的钢筋.最后提出了适用于HTRB6O0级高强钢 筋的高温下应力-应变曲线简化计算模型. 关键词HTRB6O0高强钢筋；高温下；力学性能；简化计算模型 分类号TU375 Mechanical properties of high-strength HTRB600 steel bars under high temperature GONG Wei,HU Ke-xu,WANG Yi-di Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,Tongji University,Shanghai 200092.China Corresponding author,E-mail:weigong890413@qq.com ABSTRACT Tensile testing of HTRB600 steel bars under high temperature was conducted to determine the mechanical properties of the steel under high temperature.The elastic modulus,proportional limit,yield strength,ultimate strength,and stress-strain curves of steel bars at 20,200,300,400,500,600,700,and 800C were obtained.The experimental results show that the elastic modu- lus,proportional limit,yield strength,and ultimate strength of the bars obviously decrease with increasing temperature.The yield strength,ultimate strength,proportional limit,and elastic modulus of the steel bars at 500 and 800C decrease to less than 50%and 10%,respectively,of those of the sample at room temperature.The stress-strain curve of the steel bars smoothens as the temperature increases,and the yield terrace disappears at 200 C.The degree of decrease in yield strength and ultimate strength of the 600 MPa steel bar is obviously larger than that of the <500 MPa steel bar.Finally,a simplified calculation method to determine the stress- strain curve of HTRB600 steel bars under high temperature was proposed. KEY WORDS HTRB600 high-strength steel bar;under high temperature;mechanical properties;simplified calculation method 建筑火灾是一类严重损害建筑物的多发灾害，每 现行的建筑防火规范都是针对普通钢筋混凝土结 年都会造成巨大的生命财产损失.钢筋混凝土结构是 构[3-】，而高强钢筋与普通钢筋的高温性能并不相同， 工程中应用最为广泛的建筑结构形式，对普通钢筋及 随着高强钢筋在混凝土结构中的应用普及，对高强钢 配置普通钢筋的混凝土结构高温下及高温后的性能研 筋的抗火性能研究迫切需要 究已有很多川，而对高强钢筋的抗火研究相对较少). 近年来对高强钢筋抗火性能的相关研究主要集中 收稿日期：2016-12-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478362)
工程科学学报,第 39 卷,第 9 期:1428鄄鄄1435,2017 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 9: 1428鄄鄄1435, September 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 09. 017; http: / / journals. ustb. edu. cn HTRB600 级高强钢筋高温下的力学性能 公 伟苣 , 胡克旭, 王懿迪 同济大学结构工程与防灾研究所, 上海 200092 苣通信作者, E鄄mail: weigong890413@ qq. com 摘 要 为研究 600 MPa 级高强钢筋高温下的力学性能,对 HTRB600 级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验,分别测得其 在 20, 200, 300, 400, 500, 600, 700 及 800 益高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力鄄鄄应变曲线. 试验结 果表明:HTRB600 级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低. 500 益时其高 温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的 50% ,800 益 时已不足常温下的 10% . 高温下 HTRB600 级高强钢筋应力鄄鄄应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑,当温度达到 200 益时,屈服台阶就已消失. 600 MPa 级钢筋 高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋 500 MPa 以下强度的钢筋. 最后提出了适用于 HTRB600 级高强钢 筋的高温下应力鄄鄄应变曲线简化计算模型. 关键词 HTRB600 高强钢筋; 高温下; 力学性能; 简化计算模型 分类号 TU375 Mechanical properties of high鄄strength HTRB600 steel bars under high temperature GONG Wei 苣 , HU Ke鄄xu, WANG Yi鄄di Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China 苣Corresponding author, E鄄mail: weigong890413@ qq. com ABSTRACT Tensile testing of HTRB600 steel bars under high temperature was conducted to determine the mechanical properties of the steel under high temperature. The elastic modulus, proportional limit, yield strength, ultimate strength, and stress鄄鄄strain curves of steel bars at 20, 200, 300, 400, 500, 600, 700, and 800 益 were obtained. The experimental results show that the elastic modu鄄 lus, proportional limit, yield strength, and ultimate strength of the bars obviously decrease with increasing temperature. The yield strength, ultimate strength, proportional limit, and elastic modulus of the steel bars at 500 and 800 益 decrease to less than 50% and 10% , respectively, of those of the sample at room temperature. The stress鄄鄄strain curve of the steel bars smoothens as the temperature increases, and the yield terrace disappears at 200 益 . The degree of decrease in yield strength and ultimate strength of the 600 MPa steel bar is obviously larger than that of the < 500 MPa steel bar. Finally, a simplified calculation method to determine the stress鄄鄄 strain curve of HTRB600 steel bars under high temperature was proposed. KEY WORDS HTRB600 high鄄strength steel bar; under high temperature; mechanical properties; simplified calculation method 收稿日期: 2016鄄鄄12鄄鄄23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51478362) 建筑火灾是一类严重损害建筑物的多发灾害,每 年都会造成巨大的生命财产损失. 钢筋混凝土结构是 工程中应用最为广泛的建筑结构形式,对普通钢筋及 配置普通钢筋的混凝土结构高温下及高温后的性能研 究已有很多[1] ,而对高强钢筋的抗火研究相对较少[2] . 现行的建筑防火规范都是针对普通钢筋混凝土结 构[3鄄鄄5] ,而高强钢筋与普通钢筋的高温性能并不相同, 随着高强钢筋在混凝土结构中的应用普及,对高强钢 筋的抗火性能研究迫切需要. 近年来对高强钢筋抗火性能的相关研究主要集中
公伟等：HTRB6O0级高强钢筋高温下的力学性能 ·1429· 在对500MPa级高强钢筋高温下和高温后的材性研 HTRB6O0级热处理高强钢筋进行了高温下的拉伸试 究、高强钢筋与混凝土之间的高温黏结锚固性能及配 验，分别测得其在20,200,300,400,500,600,700 置高强钢筋的混凝土构件的抗火性能的相关研究.结 及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极 果表明6-)：高强钢筋在200℃高温下时其力学性能 限强度及应力-应变关系曲线，最后提出了适用于 就会发生严重退化，但历经最高温度小于400℃时其 HTRB6O0级高强钢筋的高温下应力-应变曲线简化计 冷却后残余性能却变化不大：高强钢筋与混凝土之间 算模型. 的高温后黏结锚固性能会随温度的升高而降低，高强 1试验概况 钢筋与普通混凝土的高温后黏结强度在200℃之后开 始明显下降，而与高强混凝土的黏结强度在400℃之 1.1试验材料及设备 后才会明显降低：配置高强钢筋的混凝土构件抗火性 试验采用的钢筋为HTRB6O0级热处理高强钢筋， 能与普通钢筋混凝土构件类似，对比试验发现高强钢筋 其技术要求及化学成分规定值如表1和表2所示.本 混凝土构件耐火极限稍短于普通箍筋混凝土构件，混凝 试验在中国科学院上海应用物理研究所的金属材料实 土保护层厚度越大、荷载比越小其耐火极限越大，配筋率 验室进行.如图1所示，试验设备主要由德国Zwck公 对耐火极限的影响不明显，但对高温承载力影响较大 司产的万能试验机及其配套的高温炉和激光引伸计等 随着近年来材料科学的发展，600MPa及更高强 组成.试验中由德国产电子万能试验机ZWICK Z250 度的高强钢筋正在工程中得到越来越多的应用，而对 夹住钢筋两端进行加载：外置电热炉包裹住钢筋进行 其相应的高温性能研究却几乎没有.为加快普及600 加热：激光引伸计通过电热炉的预留竖向缝隙将两束 MPa级高强钢筋的应用，需要对其进行大量基础性试 激光照射到钢筋变形段，当钢筋被拉动时，激光引伸计 验研究以为今后的相关设计提供数据支持.本文对 会实时记录钢筋上激光照射点的位置变动. 表1钢筋技术要求 Table 1 Technical specifications of the steel bars 屈服强度设计值， 屈服强度标准值， 极限强度标准值， 弹性模量， 断后伸长率， 钢筋牌号 f/MPa f/MPa fk/MPa E./MPa 8/% HTRB 600 500 600 750 2.0×105 15.0 表2钢筋化学成分（质量分数） 般不会超过800℃，且200,300、400、500、600和700℃ Table 2 Chemical composition of the steel bars 完 为钢筋力学性能随温度变化发生变化的关键点[©.因 Si Mn Ceg 此选取上述温度作为本次试验温度，并增加一组常温 0.28 0.8 0.035 1.6 0.0350.58 下的对比试验.依照高温炉和试验机夹头的尺寸，本 次选取HTRB6O0级钢筋试件的直径为16mm,长度为 1.2加载方案 1100mm,标距取为80mm,每组温度下测试两根钢筋 火灾发生时，由于混凝土的保护，内部钢筋温度一 试件.按照《金属材料高温拉伸试验方法》(GB/T (a) b 上夹头 电热炉 钢筋试件 激光引伸计 下夹头 图1试验系统.(a)示意图；(b)照片 Fig.1 Test system:(a)illustration;(b)photo
公 伟等: HTRB600 级高强钢筋高温下的力学性能 在对 500 MPa 级高强钢筋高温下和高温后的材性研 究、高强钢筋与混凝土之间的高温黏结锚固性能及配 置高强钢筋的混凝土构件的抗火性能的相关研究. 结 果表明[6鄄鄄14] :高强钢筋在 200 益 高温下时其力学性能 就会发生严重退化,但历经最高温度小于 400 益 时其 冷却后残余性能却变化不大;高强钢筋与混凝土之间 的高温后黏结锚固性能会随温度的升高而降低,高强 钢筋与普通混凝土的高温后黏结强度在 200 益 之后开 始明显下降,而与高强混凝土的黏结强度在 400 益 之 后才会明显降低;配置高强钢筋的混凝土构件抗火性 能与普通钢筋混凝土构件类似,对比试验发现高强钢筋 混凝土构件耐火极限稍短于普通箍筋混凝土构件,混凝 土保护层厚度越大、荷载比越小其耐火极限越大,配筋率 对耐火极限的影响不明显,但对高温承载力影响较大. 随着近年来材料科学的发展,600 MPa 及更高强 度的高强钢筋正在工程中得到越来越多的应用,而对 其相应的高温性能研究却几乎没有. 为加快普及 600 MPa 级高强钢筋的应用,需要对其进行大量基础性试 验研究以为今后的相关设计提供数据支持. 本文对 HTRB600 级热处理高强钢筋进行了高温下的拉伸试 验,分别测得其在 20, 200, 300, 400, 500, 600, 700 及 800 益高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极 限强度及应力鄄鄄 应变关系曲线,最后提出了适用于 HTRB600 级高强钢筋的高温下应力鄄鄄应变曲线简化计 算模型. 1 试验概况 1郾 1 试验材料及设备 试验采用的钢筋为 HTRB600 级热处理高强钢筋, 其技术要求及化学成分规定值如表 1 和表 2 所示. 本 试验在中国科学院上海应用物理研究所的金属材料实 验室进行. 如图 1 所示,试验设备主要由德国 Zwick 公 司产的万能试验机及其配套的高温炉和激光引伸计等 组成. 试验中由德国产电子万能试验机 ZWICK Z250 夹住钢筋两端进行加载;外置电热炉包裹住钢筋进行 加热;激光引伸计通过电热炉的预留竖向缝隙将两束 激光照射到钢筋变形段,当钢筋被拉动时,激光引伸计 会实时记录钢筋上激光照射点的位置变动. 表 1 钢筋技术要求 Table 1 Technical specifications of the steel bars 钢筋牌号 屈服强度设计值, f y / MPa 屈服强度标准值, f yk / MPa 极限强度标准值, f syk / MPa 弹性模量, Es / MPa 断后伸长率, 啄 / % HTRB 600 500 600 750 2郾 0 伊 10 5 15郾 0 表 2 钢筋化学成分(质量分数) Table 2 Chemical composition of the steel bars % C Si P Mn S Ceq 0郾 28 0郾 8 0郾 035 1郾 6 0郾 035 0郾 58 图 1 试验系统. (a) 示意图; (b) 照片 Fig. 1 Test system: (a) illustration; (b) photo 1郾 2 加载方案 火灾发生时,由于混凝土的保护,内部钢筋温度一 般不会超过 800 益 ,且 200、300、400、500、600 和 700 益 为钢筋力学性能随温度变化发生变化的关键点[6] . 因 此选取上述温度作为本次试验温度,并增加一组常温 下的对比试验. 依照高温炉和试验机夹头的尺寸,本 次选取 HTRB600 级钢筋试件的直径为 16 mm,长度为 1100 mm,标距取为 80 mm,每组温度下测试两根钢筋 试件. 按照 《 金属材料高温拉伸试验方法》 ( GB/ T ·1429·
·1430. 工程科学学报，第39卷，第9期 4338-2006)的规定，采用恒温升载方式进行试验，电 其加热到400~430℃并恒温45min以使钢筋的晶粒 热炉升温速幸设为5℃·min,当炉温达到目标温度 稳定化，之后回火加热到500~590℃从而形成回火索 后恒温20min以使钢筋充分受热以达到日标温度[o]. 氏体，使钢筋具有更好的韧性和塑性.本次试验中，当 之后采用应变控制加载速率，钢筋屈服前和屈服阶段 温度达到400℃并恒温20min后钢筋晶粒稳定性被破 应变量较小，为采集足够数据点，控制应变为0.005 坏，在拉伸作用下表皮开始破坏：当温度达到500~ minl,屈服后应变量较大，为节省时间，控制应变为 600℃时，相当于对钢筋进行二次回火并消除了钢筋 0.05min,直至试件破坏，试验中应变速率的转变过 中的应力，同时也降低了钢筋的强度和硬度，所以拉断 程由加载系统的电脑自动进行判断和控制，应变速率 时不再发出响声， 的改变均匀连续 2.2试验后现象 2试验现象及讨论 钢筋拉断以后立即打开炉体，可以看到当温度低 于400℃时，高温下钢筋表面基本不会变色；当温度在 2.1试验过程中现象 400~600℃之间时，高温下钢筋表面呈暗红色且有少 由于电热炉的密闭性，试验过程中无法直接观测 许表皮剥落：当温度高于600℃时，高温下钢筋表面呈 钢筋试件的外观，但可以听到如表3所示的不同声响. 赤红色并伴随大量表皮剥落. 由表3可以看出，400℃是HTRB600级高强钢筋高温 将钢筋从高温炉中取出并置于空气中自然冷却以 下试验现象变化的关键温度.当温度小于400℃时， 后，发现200℃高温下拉断的钢筋与常温下拉断的钢 温度对拉伸试验影响不大，试验现象与常温下基本相 筋相比没有明显变化：300℃高温下拉断钢筋的表面 同：400℃时，钢筋表面的氧化层在拉伸过程中开始剥 以及断口均呈蓝色，出现“蓝脆”现象，且断口截面显 落，拉断时破坏过程开始出现延性特征；当温度大于 著收缩：400~600℃高温下拉断钢筋的表面呈青灰 400℃时，钢筋表面氧化层剥落严重，尤其是从600℃ 色，断口截面持续收缩：500℃和600℃高温下拉断钢 开始，升温过程中也开始有氧化层剥落的现象，拉断时 筋的表皮开始出现起壳现象：700℃高温下拉断钢筋 为延性破坏 的表面被氧化成黑色，表皮大量剥落且断口截面进一 表3试验过程现象 步收缩：800℃高温下拉断钢筋的截面收缩小于700℃ Table 3 Phenomena observed during the tensile tests 高温下拉断的钢筋，但钢筋的拉断区域有横向开裂裂 升温、恒温 加载屈服 加载屈服 纹，原因是钢筋在800℃高温下软化严重，截面来不及 温度/℃ 拉断时 过程 前 后 收缩就因出现大量裂纹而断裂 20 无响动 无响动 无响动 巨大响动 常温下钢筋拉伸断面由3部分组成：纤维区、放射 200 无响动 无响动 无响动 巨大响动 区和剪切唇区，即断面的裂纹形成区、裂纹扩展区和剪 300 无响动 无响动 无响动 巨大响动 切断裂区（图2(a).本次试验中的钢筋断面只能看 400 无响动 无响动 轻微剥落声 响动 到纤维区和剪切唇，放射区很小甚至没有，这是因为高 500 无响动 无响动 表皮剥落声 无响动 温下钢筋的塑性增大，变形约束较小，裂纹没有扩散便 600 表皮剥落声 表皮剥落声 表皮剥落声 无响动 发生剪切破坏所致.当温度大于600℃时，钢筋断面 700 表皮剥落声 表皮剥落声表皮剥落声 无响动 塑性变形明显增大，剪切唇区也消失而只能观测到纤 800 表皮剥落声 表皮剥落声 表皮剥落声 无响动 维区（图2(b)). 2.3截面收缩率与延伸率 HTRB6O0级热处理高强钢筋的加工过程是先将 各钢筋试件在空气中冷却后的截面收缩率与延伸 纤维区 (a) b 放射区 剪切唇区 800℃- 200℃ 图2钢筋断面.(a)示意图：(b)照片 Fig.2 Cross section of the steel bars:(a)illustration;(b)photo
工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 4338—2006)的规定,采用恒温升载方式进行试验,电 热炉升温速率设为 5 益·min - 1 ,当炉温达到目标温度 后恒温 20 min 以使钢筋充分受热以达到目标温度[10] . 之后采用应变控制加载速率,钢筋屈服前和屈服阶段 应变量较小,为采集足够数据点,控制应变为 0郾 005 min - 1 ,屈服后应变量较大,为节省时间,控制应变为 0郾 05 min - 1 ,直至试件破坏,试验中应变速率的转变过 程由加载系统的电脑自动进行判断和控制,应变速率 的改变均匀连续. 2 试验现象及讨论 2郾 1 试验过程中现象 由于电热炉的密闭性,试验过程中无法直接观测 钢筋试件的外观,但可以听到如表 3 所示的不同声响. 由表 3 可以看出,400 益 是 HTRB600 级高强钢筋高温 下试验现象变化的关键温度. 当温度小于 400 益 时, 温度对拉伸试验影响不大,试验现象与常温下基本相 同;400 益 时,钢筋表面的氧化层在拉伸过程中开始剥 落,拉断时破坏过程开始出现延性特征;当温度大于 400 益时,钢筋表面氧化层剥落严重,尤其是从 600 益 开始,升温过程中也开始有氧化层剥落的现象,拉断时 为延性破坏. 表 3 试验过程现象 Table 3 Phenomena observed during the tensile tests 温度/ 益 升温、恒温 过程 加载屈服 前 加载屈服 后 拉断时 20 无响动 无响动 无响动 巨大响动 200 无响动 无响动 无响动 巨大响动 300 无响动 无响动 无响动 巨大响动 400 无响动 无响动 轻微剥落声 响动 500 无响动 无响动 表皮剥落声 无响动 600 表皮剥落声 表皮剥落声 表皮剥落声 无响动 700 表皮剥落声 表皮剥落声 表皮剥落声 无响动 800 表皮剥落声 表皮剥落声 表皮剥落声 无响动 图 2 钢筋断面. (a) 示意图; (b) 照片 Fig. 2 Cross section of the steel bars: (a) illustration; (b) photo HTRB600 级热处理高强钢筋的加工过程是先将 其加热到 400 ~ 430 益 并恒温 45 min 以使钢筋的晶粒 稳定化,之后回火加热到 500 ~ 590 益 从而形成回火索 氏体,使钢筋具有更好的韧性和塑性. 本次试验中,当 温度达到 400 益并恒温 20 min 后钢筋晶粒稳定性被破 坏,在拉伸作用下表皮开始破坏;当温度达到 500 ~ 600 益时,相当于对钢筋进行二次回火并消除了钢筋 中的应力,同时也降低了钢筋的强度和硬度,所以拉断 时不再发出响声. 2郾 2 试验后现象 钢筋拉断以后立即打开炉体,可以看到当温度低 于 400 益时,高温下钢筋表面基本不会变色;当温度在 400 ~ 600 益之间时,高温下钢筋表面呈暗红色且有少 许表皮剥落;当温度高于 600 益时,高温下钢筋表面呈 赤红色并伴随大量表皮剥落. 将钢筋从高温炉中取出并置于空气中自然冷却以 后,发现 200 益高温下拉断的钢筋与常温下拉断的钢 筋相比没有明显变化;300 益 高温下拉断钢筋的表面 以及断口均呈蓝色,出现“蓝脆冶现象,且断口截面显 著收缩;400 ~ 600 益 高温下拉断钢筋的表面呈青灰 色,断口截面持续收缩;500 益 和 600 益 高温下拉断钢 筋的表皮开始出现起壳现象;700 益 高温下拉断钢筋 的表面被氧化成黑色,表皮大量剥落且断口截面进一 步收缩;800 益高温下拉断钢筋的截面收缩小于 700 益 高温下拉断的钢筋,但钢筋的拉断区域有横向开裂裂 纹,原因是钢筋在 800 益高温下软化严重,截面来不及 收缩就因出现大量裂纹而断裂. 常温下钢筋拉伸断面由 3 部分组成:纤维区、放射 区和剪切唇区,即断面的裂纹形成区、裂纹扩展区和剪 切断裂区(图 2( a)). 本次试验中的钢筋断面只能看 到纤维区和剪切唇,放射区很小甚至没有,这是因为高 温下钢筋的塑性增大,变形约束较小,裂纹没有扩散便 发生剪切破坏所致. 当温度大于 600 益 时,钢筋断面 塑性变形明显增大,剪切唇区也消失而只能观测到纤 维区(图 2(b)). 2郾 3 截面收缩率与延伸率 各钢筋试件在空气中冷却后的截面收缩率与延伸 ·1430·
公伟等：HTRB6O0级高强钢筋高温下的力学性能 ·1431· 率分别示于图3及图4，由于试验钢筋为带肋钢筋，截 900 20℃ 面收缩率计算中测量的钢筋直径为无肋处的直径.由 800 700 200℃ 图3可以看出，400℃之前钢筋的截面收缩率随着温度 600 300℃ 的升高而明显增大：400~700℃之间钢筋的截面收缩 500 400℃ 率保持相对稳定：700℃之后钢筋的截面收缩率迅速 400 500℃ 300 下降.原因是钢筋随着温度的升高而发生软化，截面 600℃ 200 来不及收缩就因出现大量裂纹而断裂.由图4可以看 700℃ 100 800C 出，200℃时钢筋延伸率与常温下几乎相同：200~400 5 10 15 20 25 ℃之间由于“蓝脆”现象的出现使钢筋脆性增大，延伸 应变% 率减小：400℃以后由于钢筋的软化而使其延伸率明 图5钢筋应力-应变曲线 显增大 Fig.5 Stress-strain curves of the steel bars 80r 在屈服前均近似直线，所以钢筋的高温下弹性模量可 取其中任意一点的斜率： E(T)=RT) 20℃≤T≤800℃. (1) e(T) 30 式中：E(T)f(T)与e(T)分别表示高温下钢筋的弹性 模量，应力与应变：T为钢筋温度 10 各试件高温下弹性模量E(T)与常温下弹性模量 200 400 600 800 1000 温度℃ E的比值如图6所示，从图中可以看出钢筋高温下弹 图3钢筋截面收缩率 性模量随着温度的升高有明显的降低.500℃时弹性 Fig.3 Section shrinkage rate of the steel bars 模量就已不足常温下的50%，800℃时弹性模量已不 足常温下的5%.对试验数据进行回归分析可以得到 50r 任一温度下HTRB6O0级高强钢筋弹性模量变化模型 40 如式(2)所示. 30 2 E(T=1.0738-4.1×10-3T+2×10-5T- E 5 4×10-8T3+2×10-"T20℃≤T≤800℃.(2) 1.2m 以 1.0e 200 400 600 800 1000 温度℃ 0.8 图4钢筋延伸率 ◆试验值 Fig.4 Elongation rate of the steel bars 一拟合曲线 0.2 2.4应力-应变曲线 不同温度下HTRB6O0级高强钢筋的应力-应变曲 200 400 600 800 1000 温度℃ 线如图5所示（每组温度下含两根钢筋试件的变化曲 图6钢筋弹性模量 线)，从图中可以看出：常温下20℃时钢筋有明显的屈 Fig.6 Elastic moduli of the steel bars 服台阶，曲线整体近似三折线：200℃时钢筋的屈服台 阶就已经消失，从图中可以看出：常温下钢筋有明显的 2.6比例极限 屈服台阶，曲线整体近似三折线：高温下钢筋没有明显 各试件高温下比例极限∫(T)与常温下极限强度 的屈服台阶，随着温度的升高曲线拐角处逐渐趋于圆 的比值如图7所示，从图中可以看出高温下钢筋的 滑：钢筋的比例极限、屈服强度与极限强度均随着温度 比例极限同样随温度的升高而显著降低.对试验数据 的升高而显著降低.500℃时比例极限、屈服强度与极 进行回归分析可以得到任一温度下HTRB6O0级高强 限强度已不足常温下的50%，800℃时比例极限、屈服 钢筋的比例极限变化模型如式(3)所示 强度与极限强度已不足常温下的10%：随着温度的升 (T) 高，钢筋的弹性模量有明显的降低 =1.0537-3×10-3T+5×10-6T-6×10-9T3+ 2.5弹性模量 3×10-27T20℃≤T≤800℃. (3) 不同温度下HTRB6O0级高强钢筋应力-应变曲线
公 伟等: HTRB600 级高强钢筋高温下的力学性能 率分别示于图 3 及图 4,由于试验钢筋为带肋钢筋,截 面收缩率计算中测量的钢筋直径为无肋处的直径. 由 图 3 可以看出,400 益之前钢筋的截面收缩率随着温度 的升高而明显增大;400 ~ 700 益 之间钢筋的截面收缩 率保持相对稳定;700 益 之后钢筋的截面收缩率迅速 下降. 原因是钢筋随着温度的升高而发生软化,截面 来不及收缩就因出现大量裂纹而断裂. 由图 4 可以看 出,200 益时钢筋延伸率与常温下几乎相同;200 ~ 400 益之间由于 “蓝脆冶现象的出现使钢筋脆性增大,延伸 率减小;400 益 以后由于钢筋的软化而使其延伸率明 显增大. 图 3 钢筋截面收缩率 Fig. 3 Section shrinkage rate of the steel bars 图 4 钢筋延伸率 Fig. 4 Elongation rate of the steel bars 2郾 4 应力鄄鄄应变曲线 不同温度下 HTRB600 级高强钢筋的应力鄄鄄应变曲 线如图 5 所示(每组温度下含两根钢筋试件的变化曲 线),从图中可以看出:常温下 20 益时钢筋有明显的屈 服台阶,曲线整体近似三折线;200 益 时钢筋的屈服台 阶就已经消失,从图中可以看出:常温下钢筋有明显的 屈服台阶,曲线整体近似三折线;高温下钢筋没有明显 的屈服台阶,随着温度的升高曲线拐角处逐渐趋于圆 滑;钢筋的比例极限、屈服强度与极限强度均随着温度 的升高而显著降低. 500 益时比例极限、屈服强度与极 限强度已不足常温下的 50% ,800 益 时比例极限、屈服 强度与极限强度已不足常温下的 10% ;随着温度的升 高,钢筋的弹性模量有明显的降低. 2郾 5 弹性模量 不同温度下 HTRB600 级高强钢筋应力鄄鄄应变曲线 图 5 钢筋应力鄄鄄应变曲线 Fig. 5 Stress鄄鄄strain curves of the steel bars 在屈服前均近似直线,所以钢筋的高温下弹性模量可 取其中任意一点的斜率: E(T) = f(T) 着(T) 20 益臆T臆800 益 . (1) 式中:E(T)、f(T)与 着(T)分别表示高温下钢筋的弹性 模量,应力与应变;T 为钢筋温度. 各试件高温下弹性模量 E( T)与常温下弹性模量 E 的比值如图 6 所示,从图中可以看出钢筋高温下弹 性模量随着温度的升高有明显的降低. 500 益 时弹性 模量就已不足常温下的 50% ,800 益 时弹性模量已不 足常温下的 5% . 对试验数据进行回归分析可以得到 任一温度下 HTRB600 级高强钢筋弹性模量变化模型 如式(2)所示. E(T) E = 1郾 0738 - 4郾 1 伊 10 - 3 T + 2 伊 10 - 5 T 2 - 4 伊 10 - 8 T 3 + 2 伊 10 - 11 T 4 20 益臆T臆800 益 . (2) 图 6 钢筋弹性模量 Fig. 6 Elastic moduli of the steel bars 2郾 6 比例极限 各试件高温下比例极限 f p (T)与常温下极限强度 f p的比值如图 7 所示,从图中可以看出高温下钢筋的 比例极限同样随温度的升高而显著降低. 对试验数据 进行回归分析可以得到任一温度下 HTRB600 级高强 钢筋的比例极限变化模型如式(3)所示. f p (T) f p = 1郾 0537 - 3 伊 10 - 3 T + 5 伊 10 - 6 T 2 - 6 伊 10 - 9 T 3 + 3 伊 10 - 12 T 4 20 益臆T臆800 益 . (3) ·1431·
·1432· 工程科学学报，第39卷，第9期 1.2r 1.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.6 ◆试验值 0.6 0.4 ●试验值 一拟合曲线 0.4 一拟合曲线 0.2 0.2 ◆ 0 200 400 600 800 1000 200 400 600 800 1000 温度℃ 温度℃ 图7钢筋比例极限 图9钢筋屈服应变 Fig.7 Proportional limits of the steel bars Fig.9 Yield strains of the steel bars 2.7屈服强度 2.8极限强度 高温下取钢筋0.2%残余应变时的应力为名义屈 各试件高温下极限强度∫(T)与常温下极限强度 服强度[6，各试件高温下名义屈服强度。z(T)与常温 ∫的比值如图10所示.从图中可以看出高温下钢筋的 下屈服强度∫的比值如图8所示.从图中可以看出高 极限强度变化趋势与屈服强度类似，都呈随着温度的 温下钢筋的屈服强度随温度的升高而明显降低，500 升高而降低的趋势.对试验数据进行回归分析可以得 ℃时为常温下的41.4%，800℃时只有常温时的 到任一温度下HTRB6O0级高强钢筋的极限强度变化 6.9%.对试验数据进行回归分析可以得到任一温度 模型如式(6)所示 下HTRB6O0级高强钢筋的屈服强度变化模型如式 f(T) (4)所示. =0.983+8×10-4T-4×10-6TP2-3×10-0T+ fo2(T) =1.0176-103T+4×10-6T2-10-8T3+ 4×10-2T 20℃≤T≤800℃. (6) 9×10-2T20℃≤T≤800℃. 1.2 (4) 1.0 1.2 0.8 1.0 ●试验值 0.6 ●试验值 0.8 一拟合曲线 0.4 一拟合曲线 0.6 0.2 0.4 ◆ 200 400 600 800 1000 0.2 温度℃ 200 400 600 800 1000 图10钢筋极限强度 温度℃ Fig.10 Ultimate strengths of the steel bars 图8钢筋屈服强度 Fig.8 Yield strengths of the steel bars 高温下各试件极限强度所对应的应变ε.(T)与常 温下钢筋极限强度所对应的极限应变ε的比值如图 高温下各试件名义屈服强度所对应的屈服应变 11所示.从图中可以看出，200℃高温下钢筋极限强 e。2(T)与常温下钢筋屈服强度所对应的屈服应变e, 度所对应的应变较常温下有所增长，之后随着温度的 的比值如图9所示.从图中可以看出，当温度小于400 升高而迅速减小.原因是当温度小于200℃时，钢筋 ℃时，高温下钢筋的屈服应变几乎没有变化：当温度大 在高温下延性得到一定程度的增大：当温度大于200 于400℃时，高温下钢筋的屈服应变呈现先增大后减 ℃时，钢筋由于发生“蓝脆”现象而使钢筋脆性增大 小的趋势，但变化趋势并不明显.对试验数据进行回 对试验数据进行回归分析可以得到任一温度下 归分析可以得到任一温度下HTRB6O0级高强钢筋的 HTRB6O0级高强钢筋的极限强度所对应的极限应变 屈服强度所对应的屈服应变变化模型如式(5)所示 变化模型如式(7)所示. a2(T) e() E。 1.0086-7x10-5T 20℃≤T≤400℃， (0.9654+0.0014T 20℃≤T≤200℃. L1138-2×10-3T+7×10-6r-6×10-9T400℃<T≤800℃. 0.535+0.0137-7x10-57+10-7T-6x10-11T200℃<T≤800℃. (5) (7)
工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 图 7 钢筋比例极限 Fig. 7 Proportional limits of the steel bars 2郾 7 屈服强度 高温下取钢筋 0郾 2% 残余应变时的应力为名义屈 服强度[6] ,各试件高温下名义屈服强度 f 0郾 2 (T)与常温 下屈服强度 f y的比值如图 8 所示. 从图中可以看出高 温下钢筋的屈服强度随温度的升高而明显降低,500 益 时 为 常 温 下 的 41郾 4% , 800 益 时 只 有 常 温 时 的 6郾 9% . 对试验数据进行回归分析可以得到任一温度 下 HTRB600 级高强钢筋的屈服强度变化模型如式 (4)所示. f 0郾 2 (T) f y = 1郾 0176 - 10 - 3 T + 4 伊 10 - 6 T 2 - 10 - 8 T 3 + 9 伊 10 - 12 T 4 20 益臆T臆800 益 . (4) 图 8 钢筋屈服强度 Fig. 8 Yield strengths of the steel bars 高温下各试件名义屈服强度所对应的屈服应变 着0郾 2 (T)与常温下钢筋屈服强度所对应的屈服应变 着y 的比值如图 9 所示. 从图中可以看出,当温度小于 400 益时,高温下钢筋的屈服应变几乎没有变化;当温度大 于 400 益时,高温下钢筋的屈服应变呈现先增大后减 小的趋势,但变化趋势并不明显. 对试验数据进行回 归分析可以得到任一温度下 HTRB600 级高强钢筋的 屈服强度所对应的屈服应变变化模型如式(5)所示. 着0郾 2 (T) 着y = 1郾 0086 -7 伊10 -5 T 20 益臆T臆400 益, 1郾 1138 -2 伊10 -3 T +7 伊10 -6 T 2 -6 伊10 -9 T 3 400 益 < T臆800 益 { . (5) 图 9 钢筋屈服应变 Fig. 9 Yield strains of the steel bars 2郾 8 极限强度 各试件高温下极限强度 f u (T)与常温下极限强度 f u的比值如图 10 所示. 从图中可以看出高温下钢筋的 极限强度变化趋势与屈服强度类似,都呈随着温度的 升高而降低的趋势. 对试验数据进行回归分析可以得 到任一温度下 HTRB600 级高强钢筋的极限强度变化 模型如式(6)所示. f u (T) f u = 0郾 983 + 8 伊 10 - 4 T - 4 伊 10 - 6 T 2 - 3 伊 10 - 10 T 3 + 4 伊 10 - 12 T 4 20 益臆T臆800 益 . (6) 图 10 钢筋极限强度 Fig. 10 Ultimate strengths of the steel bars 高温下各试件极限强度所对应的应变 着u (T)与常 温下钢筋极限强度所对应的极限应变 着u的比值如图 11 所示. 从图中可以看出,200 益 高温下钢筋极限强 度所对应的应变较常温下有所增长,之后随着温度的 升高而迅速减小. 原因是当温度小于 200 益 时,钢筋 在高温下延性得到一定程度的增大;当温度大于 200 益时,钢筋由于发生“蓝脆冶现象而使钢筋脆性增大. 对试 验 数 据 进 行 回 归 分 析 可 以 得 到 任 一 温 度 下 HTRB600 级高强钢筋的极限强度所对应的极限应变 变化模型如式(7)所示. 着u(T) 着u = 0郾 9654 +0郾 0014T 20 益臆T臆200 益, 0郾 535 +0郾 013T -7 伊10 - 5 T 2 +10 - 7 T 3 -6 伊10 - 11 T 4 200 益 < T臆800 益 { . (7) ·1432·