銹坑對鋼筋高溫后力學性能的影響

劉崇勛, 巴光忠, 鄭欣欣, 周家欣

（上海海事大學海洋科學與工程學院, 上海 201306）

鋼筋銹蝕是導致混凝土結構破壞的最主要因素, 對建筑結構的適用性及安全性有重要的影響[1］.目前, 關于銹坑形態對鋼筋力學性能影響的研究主要集中在常溫環境下, 對高溫后銹坑形態影響鋼筋力學性能的研究較少[2］.羅小勇等[3］認為, 銹蝕鋼筋的力學性能與最小殘余截面積相關, 僅用平均銹蝕率難以準確衡量鋼筋變形能力的退化.袁迎曙等[4］以銹坑的自然銹蝕表觀特征為依據, 加工模擬銹蝕鋼筋, 進一步分析了坑狀銹蝕鋼筋性能退化的機理.Liu等[5］通過三維掃描技術得到銹蝕鋼筋的高精度三維模型, 對銹坑形狀進行了擬合, 發現銹坑的最優擬合曲線是雙曲線.Cerit等[6-8］和Huang等[9］針對橢圓形銹坑對鋼筋力學性能的影響進行研究, 發現銹坑的深寬比是影響應力集中系數的主要參數, 并擬合出了相關公式.馬亞飛等[10］通過機械加工不同形狀缺口的鋼筋來模擬局部銹蝕對鋼筋力學性能的影響, 發現缺口的形狀對應力集中系數有一定的影響.

火災作為一種發生頻率較高的災害, 通常會造成嚴重的財產損失, 所以對建筑結構抗火性能的研究一直是國內外學者研究的重要課題[11-12］.部分既有銹蝕混凝土結構仍有可能會經歷火災（高溫）作用, 高溫后銹蝕鋼筋的力學性能是評估結構殘余性能的基礎.本文選取工程中常用的HRB400鋼筋來加工模擬銹蝕試件, 然后分別進行高溫加熱試驗和拉伸試驗, 研究其力學性能的變化規律.同時, 采用有限元軟件對模擬銹坑的應力分布進行仿真模擬, 得到溫度、模擬銹坑形狀和位置等對鋼筋應力分布的影響, 以期為高溫后銹蝕鋼筋的力學性能評估提供相關依據.

1 試驗研究

1.1 試件制作

原材料為HRB400級熱軋螺紋鋼筋, 尺寸為?9×110 mm, 常溫下屈服強度為425 MPa, 極限強度為620 MPa, 伸長率為22.4%.鋼筋的化學組成如表1所示.試驗以機械加工的缺口來模擬銹蝕鋼筋的銹坑, 模擬銹坑的形狀選取雙曲線（H）和橢圓形（E）2種[3-11, 13］.試件形狀如圖1所示, 模擬銹坑的形狀尺寸如圖2所示, 同一形狀缺口以深度（dp）和寬度（bp）的比值深寬比（dp/bp）作為變量進行比較, 相關參數如表2所示.

表1 鋼筋的化學組成Table 1 Chemical composition of steel bar w/%

圖1 試件形狀示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen（size：mm）

圖2 模擬銹坑的形狀和尺寸Fig.2 Shapes and sizes of artificial corrosion pits

表2 模擬銹坑的參數Table 2 Parameters of artificial corrosion pits

1.2 試驗設備

力學性能試驗采用Zwick Z250TEW型250 kN萬能材料試驗機, 最大載荷為100 kN, 棒材試件的夾持范圍為0～15 mm.

熱處理設備是普通的馬弗爐, 加熱溫度范圍為100～1 000℃, 控溫精度為±1℃.

1.3 試驗方法

試驗包括熱處理與靜力拉伸試驗2部分.

（1）為了探究溫度對帶銹坑試件力學性能的影響, 選取了20（室溫）、200、400、600、700、800℃等6個溫度.將試件放入普通的馬弗爐內, 以10℃/min的加熱速率進行升溫, 達到目標溫度后保溫20 min, 然后停止加熱并在爐內自然冷卻到室溫.

（2）鋼筋靜力拉伸試驗依據GB/T 228—2002《金屬材料—室溫拉伸實驗方法》, 在萬能材料試驗機上進行.在試件的原始標距上做上標記, 用于觀察斷裂位置, 標距為45 mm, 拉伸試驗加載速率為0.002 s-1, 試驗中實時記錄應力-應變（σ-ε）曲線.

2 數值分析

2.1 數值計算工況

有限元分析選用的軟件是ANSYS Workbench, 三維模型在Creo 6.0軟件中建立, 為了探究模擬銹坑對鋼筋力學性能的影響, 建立了單個銹坑和2個銹坑2種模型, 模擬銹坑仿真模型的參數如表3、4所示.同時, 考慮熱處理對模擬銹坑鋼筋力學性能的影響, 增加6個數值仿真溫度, 分別為20、200、400、600、700、800℃.單個模擬銹坑的仿真模型標距取45 mm, 銹坑的形狀和尺寸如圖2所示.考慮模擬銹坑角度對鋼筋力學性能的影響, 取深度為2 mm的橢圓形銹坑, 深寬比為0.5, 相鄰銹坑的徑向軸線夾角θ為0°、15°、30°、45°、60°、90°和180°, 相鄰銹坑模型和剖視圖如圖3所示.數值分析的模型單元采用SOLID186高階單元, 該單元具有模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料變形的能力, 可以很好地應用在模擬鋼筋拉伸的過程中.

表3 單個模擬銹坑的數值模擬參數Table 3 Parameters of corrosion pit simulation model of single artificial corrosion pit

圖3 相鄰模擬銹坑模型和剖視圖Fig.3 Model and sectional view of adjacent artificial corrosion pit

2.2 鋼筋本構模型

有限元分析的前提是提供準確的鋼筋本構模型.在拉伸過程中, 試件任一瞬時的面積A與標距L是在變化的, 而通過試驗得到的名義應力σ0和名義應變ε0是按照初始面積A0和標距L計算的, 因此任一瞬時的真實應力σ和真實應變ε與相應的名義應力σ0和名義應變ε0存在差異, 在塑性階段這種差異會逐漸增大.在均勻變形階段, 真實應力定義為σ, 根據塑性變形體積V不變的假設, 真實應力σ和真實應變ε的轉換關系如式（1）、（2）所示.

根據上述的轉換關系和試驗得到的應力-應變關系, 可以得到在各個溫度作用后未銹蝕鋼筋的真實應力-應變關系（見圖4）, 并作為數值分析材料應力-應變曲線.

表4 相鄰模擬銹坑的數值模擬參數Table 4 Parameters of corrosion pit simulation model of adjacent artificial corrosion pits

圖4 真實應力-應變曲線Fig.4 True stress-strain curves

2.3 數值模型驗證

利用本文的試驗結果驗證數值模擬的準確性.將不同溫度下數值仿真的結果與試驗值進行比較, 結果如圖5所示.由圖5可見：溫度和模擬銹坑形狀對屈服荷載和極限荷載都有影響；隨著溫度的增加, 屈服荷載和極限荷載整體呈現減小的趨勢, 但在700℃時屈服荷載急劇下降, 極限荷載出現急劇增加, 然后隨著溫度的增加又恢復整體趨勢；在彈性階段載荷-位移曲線的試驗值與仿真計算值符合較好, 本文數值模擬對象是彈性階段的鋼筋性能, 所以可認為本文數值模擬是準確的.

圖5 不同溫度下載荷-位移曲線試驗值與計算值的比較Fig.5 Comparison between experimental values and simulated values of load-displacement curves at different temperatures

3 數值模擬結果

3.1 模擬銹坑的應力分布

3.1.1 單個模擬銹坑的應力分布

通過數值仿真可以得到模擬銹坑的應力分布圖, 如圖6所示.由圖6可見, 模擬銹坑的應力最大值在銹坑底部, 最小值在沿載荷施加方向的銹坑邊緣, 與橢圓形銹坑應力最大值位于底部相同[5］.

圖6 模擬銹坑的應力分布Fig.6 Stress distribution at artificial corrosion pit

3.1.2相鄰模擬銹坑的應力分布

圖7為相鄰模擬銹坑的徑向截面應力分布圖。其中相鄰銹坑的夾角θ分別為0°、15°、30°、45°、60°、90°和180°.由圖7可見：當模擬銹坑之間的夾角θ為15°、30°和90°、180°時, 相鄰銹坑對應力分布影響較小, 銹坑附近應力集中的位置在2個銹坑的底部；在30°～90°時, 隨著θ的增大, 應力集中的位置在銹坑的相交部位.

圖7 相鄰模擬銹坑的徑向截面應力分布圖Fig.7 Stress distributions of radial section of adjacent artificial corrosion pits

3.2 應力集中系數

應力集中系數（α）受材料類型、缺口幾何形狀和溫度等因素的影響, 其求解公式如式（3）所示, 其中σmax為局部最大彈性應力[14］.

3.2.1 單個模擬銹坑的應力集中系數

圖8為單個模擬銹坑的應力集中系數.由圖8可見：不同類型模擬銹坑的應力集中系數在20～700℃溫度范圍內基本保持不變, 在800℃時下降較為明顯, 約為室溫下的10%；當經歷的溫度相同時, 對于開口寬度相同的相同形狀銹坑, 隨著深寬比的增加, 銹坑的應力集中系數會變大；當深寬比和開口寬度相同時, 雙曲線形銹坑的應力集中系數比橢圓形的大, 銹坑形狀對應力集中系數有所影響[10］.

圖8 單個模擬銹坑的應力集中系數Fig.8 Stress concentration factor of single artificial corrosion pit

為了探究相同深寬比下, 模擬銹坑的開口寬度bp對應力集中系數的影響, 在相同深寬比下建立了開口寬度為0.5、1.0、2.0 mm的橢圓形模擬銹坑模型, 具體參數如表3所示, 計算得到深寬比對應力集中系數的影響, 如圖9所示.由圖9可見：深寬比為1、開口寬度為1.0、2.0 mm的銹坑, 在20～600℃溫度范圍內, 應力集中系數隨著開口寬度增大而增大且變化趨勢基本保持一致, 在經歷600～800℃后, 不同開口寬度銹坑的應力集中系數變化趨勢出現了較大的偏差.開口寬度為2.0 mm銹坑的應力集中系數在600～700℃溫度范圍內急劇下降, 并在800℃時有所增加；不同開口寬度的銹坑, 應力集中系數隨溫度變化的趨勢基本一致, 開口寬度越大, 應力集中系數越大；相同的深寬比下, 應力集中系數隨著開口寬度的增大而增大, 深寬比較小時, 溫度對應力集中系數的變化趨勢影響較大.

圖9 深寬比對應力集中系數的影響Fig.9 Effect of opening width on stress concentration factor

3.2.2 相鄰模擬銹坑的應力集中系數

圖10為相鄰模擬銹坑的應力集中系數.由圖10可見：（1）在相鄰夾角θ為0°～30°時, 應力集中系數緩慢增加（700℃除外）；在30°～90°之間時, 應力集中系數先增加后減小, 最大值出現在45°～60°之間, 在90°～180°, 應力集中系數基本保持不變, 且與單個銹坑（θ=0°）時的值一樣.（2）隨著溫度的增加, 應力集中系數也會發生相應的變化；當溫度在20～600℃時, 模擬銹坑的應力集中系數在θ為0°～30°和90°～180°時相對變化很小, 變化值為2%；在這個相鄰夾角區域, 700、800℃的高溫作用對應力集中系數影響相對較大, 變化的幅度為10%；模擬銹坑的最大應力集中系數隨著溫度的增加逐漸減小, 在800℃時較常溫時減小了10%；在700℃時應力集中系數突然增加, 是因為700℃作用后鋼筋的材料性能發生了明顯變化, 造成應力集中系數發生突變.

圖10 相鄰模擬銹坑的應力集中系數Fig.10 Stress concentration factor of adjacent artificial corrosion pits

4 結論

（1）單個模擬銹坑底部的應力最大, 在沿載荷施加方向銹坑邊緣處最小, 越靠近銹坑底部, 應力越大.雙曲線形銹坑的應力集中系數要明顯大于相同尺寸下的橢圓形銹坑.

（2）溫度、銹坑寬度和深寬比對單個模擬銹坑的應力集中系數都有影響.當經歷的溫度小于700℃時, 銹坑的應力集中系數基本保持不變, 在經歷800℃的高溫作用后, 銹坑的應力集中系數約下降10%.當銹坑寬度相同時, 應力集中系數隨著深寬比的增加而增加.當深寬比不同時, 溫度對小深寬比銹坑的應力集中系數影響較大.

（3）對于帶有2個模擬銹坑的試樣, 當銹坑夾角在30°～60°時, 應力集中系數明顯增加.隨著夾角的增大, 應力集中系數迅速減小.整體上隨著溫度的增加, 應力集中系數逐漸減小, 但在700℃時由于材料性能變化明顯, 導致應力集中系數最大.