鋼筋力學性能檢測時試驗速率的正確選擇

摘要：熱軋帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋的拉伸試驗均采用標準GB/T 228，新標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法》，與舊標準相比有了較大的變化，其中在試驗速率控制方面，增加了方法A應變速率控制方法，方法A（應變速率控制）和方法B（應力速率控制）中對于不同的參數測定所采用的速率都有明確規定。

關鍵詞：鋼筋 力學性能 試驗速率 應變速率 應力速率

1 前言

熱軋帶肋鋼筋和熱軋光圓鋼筋（以下簡稱鋼筋）執行的標準是國家強制性標準GB 1499.2-2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》和GB1499.1-2008《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》，鋼筋的力學性能對于鋼筋在混凝土結構中的作用發揮十分重要，鋼筋的牌號也是由鋼筋的屈服強度特征值所表示，在GB 1499.1-2008和GB1499.2-2007標準中鋼筋的力學性能包括屈服強度R_eL（即下屈服強度）、抗拉強度R_m、斷后伸長率A、最大力總伸長率A_gt等，這些力學性能特征值的測定均采用標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》。國內外大量試驗證明，在進行拉伸試驗的過程中，試樣的變形速率直接影響試樣的結果，尤其是對于屈服強度R_eL的測定，對試驗速率的大小十分敏感，而且用應變速率控制的檢測數據比位移控制速率更穩定。

為了保證試驗結果的可比性，GB/T 228.1-2010修改采用國際標準ISO 6892-1：2009，給出了方法A（應變速率控制）和方法B（應力速率控制）兩種控制速率的方法。其中方法A一方面可以減小試驗結果的測量不確定度，另一方面增強了試驗結果的可比性。這種控制模式也是即將廣泛推行的方法。

2 應力、應力速率、應變、應變速率、橫梁位移速率、負荷速率的理解

有些檢測員對于這幾個概念混淆不清，尤其是對于應變速率的理解，我們多數使用的設備只能用應力速率（單位MPa/s）進行控制，但標準中部分環節要求使用應變速率（單位s^-1）來控制。下面就對這幾個常用的概念加以說明。

2.1 應力、應力速率

應力是指試驗期間任一時刻的力除以試樣原始橫截面積S₀之商，如式（1）所示；應力速率指單位時間應力的增加，如式（2）所示。

R=F/S₀

…………（1）

其中：

R——應力（N/m㎡或MPa）；

F——軸線方向受到的力（N）；

S₀——試樣橫截面積（m㎡）。

R=ΔR/Δt

…………（2）

其中：

R——應力速率（MPa/s）；

ΔR——某一時段應力增加量（MPa）；

Δt——-產生AR所用的時間（s）。

2.2 應變、應變速率

應變速率是指用引伸計標距L_e測量時單位時間的應變增加值。對于一個單元體來講，當受到外力的作用時，會產生線應變和角應變（或切應變），我們所說的應變是指線應變，用e表示，線應變和角應變都是無量綱的量，拿線應變來講，是由某一方向的長度在變形前后的改變量與原長之比，如式（3）所示，線應變以伸長為正，縮短為負。理解了線應變，應變速率就迎刃而解了，如式（4）所示。

e=ΔL/L₀

…………（3）

其中：

e——線應變；

ΔL——某一方向長度的改變量（mm）；

L₀——某一方向的原長度（mm）。

2.3 橫梁位移速率負荷速率

橫梁位移速率指單位時間的橫梁位移（mm/s），試樣拉伸試驗過程中，橫梁位移速率與應變速率之間的轉換如式（5）和式（6）所示。

鋼的拉伸試驗標準要求應力速率為6～60MPa/s，但有些時候應力速率也不是很直觀，轉換為負荷速率控制就比較簡單直觀，由平均應力速率轉換推導出負荷速率如式（7）所示；在彈性范圍內平均應力速率為R_平=ΔF/（Δt·S₀），則

ΔF/Δt=R_平·S₀

其中：

3 應變速率控制的試驗速率（方法A）

當選用方法A時，即應變速率控制，對于試驗機的要求很高，要求試驗機必須具有自動監測、自動控制功能，能夠有效的控制不同時段的試驗速率。GB/T 228.1-2010中給出了兩種不同類型的應變速率控制模式，一種是通過引伸計的反饋來控制的應變速率，另一種是根據平行長度估計的應變速率（即通過控制平行長度與需要的應變速率相乘而得到的橫梁位移速率），對于不同的檢測項目，標準中給出了相應的試驗速率，尤其是對于不連續屈服的材料，應選用根據平行長度部分估計的應變速率來控制。如圖1所示。

下面來說說用方法A測定鋼筋的力學性能時試驗速率的正確選擇。根據速率選用圖表所示，在測定屈服強度（即下屈服強度R_eL）時，標準推薦使用范圍2的速率，即0.00020～0.00030s^-1，也可選用范圍3的速率；在測定抗拉強度R_m、斷后伸長率A、最大力總伸長率A_gt時，標準推薦選用范圍4的速率，即0.32～0.48min^-1，也可選用范圍2和范圍3的速率，如果僅僅測定抗拉強度時，根據范圍3或范圍4得到的平行長度估計的應變速率適用于整個試驗，這樣可以簡化整個試驗過程。

4 應力速率控制的試驗速率（方法B）

在選用方法B時，需要試驗機既可以控制應力速率，又可以控制應變速率，因為應力速率只使用于方法B中彈性階段，當我們測量鋼筋的抗拉強度R_m、斷后伸長率A、最大力總伸長率A_gt時，標準要求使用應變速率。鋼筋的彈性模量一般都大于150000MPa，所以在彈性范圍和直至上屈服強度，橫梁位移速率應保持在6～60MPa/s范圍內，在任何情況下，彈性范圍內的應力速率不得超過60MPa/s。在測定下屈服強度R_eL時，應變速率控制在0.00025～0.0025s^-1之間；在測定R_m、A、A_gt時，試驗速率可以增大到不大于0.008 s^-1的應變速率。

5 小結

在現實中多數實驗室依然使用擺動測力的液壓試驗機，或者是只能控制負荷速率或應力速速的試驗機，這就需要我們加快檢測設備的更新換代，提高檢測儀器的控制精度，盡可能選擇具有閉環控制系統的既能控制應力速率也能控制應變速率的試驗機；在無法改變設備現狀的情況下，可以利用速率間的相互轉化，將應變速率等效為相應的橫梁位移速率，或者將應力速率轉換為負荷速率，從而與標準要求相切合，進而提高試驗結果的可比性，提高檢測結果的準確度，減小試驗結果的測量不確定度。