HRB400E抗震鋼筋拉壓循環本構關系

2023-10-18 03:48:18趙衛平常昊壇鄭宏利紀強溪

振動與沖擊 2023年19期

趙衛平, 常昊壇, 鄭宏利, 楊虹, 郭飛, 紀強溪

(1.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院,北京 100083; 2.中鐵十六局集團路橋工程有限公司,北京 101500;3.北京市政建設集團有限責任公司,北京 100048)

強烈地震作用下,結構構件常會承受巨大的往復地震力,主要特點為經歷的滯回圈數少、荷載持續時間短、結構塑性變形大[1-4]。結構構件抵抗地震作用主要依靠構造設計和材料承受超低周循環荷載的能力[5-6]。循環荷載作用下鋼材的力學性能對評估結構的抗震性能具有重要意義。

各類鋼材循環本構關系的研究一直是國內外學者關注的熱點。石永久等[7]完成了普通鋼材(Q235B、Q345B)的循環加載試驗,并提出了循環荷載下的單軸簡化本構關系。Wang等[8]對Q690D高強鋼進行了循環加載試驗,建立了可考慮包辛格效應和循環軟化效應的混合強化預測模型。王元清等[9]研究了奧氏體不銹鋼在循環荷載下的本構關系,結果顯示不銹鋼材料在循環荷載作用下的滯回曲線較為飽滿,表明此類鋼材具有良好的耗能能力。Wang等[10]對低屈服鋼的循環性能和本構模型進行了研究,同時采用能量耗散系數對比了不同鋼材的耗能能力,結果顯示低屈服鋼的能量耗散系數大于普通鋼材和高強鋼材,表明低屈服鋼的耗能能力較強。He等[11]對LYP100鋼材進行了循環加載試驗,提出了修正的Y-U模型,并開發了相應的數值算法,結果證實修正模型可有效的量化LYP100鋼材的循環加載性能。

隨著我國對于結構抗震性能要求的逐步提高,抗震鋼筋現已廣泛應用于建筑結構之中,我國現行規范GB/T 1499.2—2018 《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》[12]新增加了帶“E”的鋼筋牌號,“E”為 “Earthquake”的縮寫,規范對抗震鋼筋的力學性能做了如下規定:①實測抗拉強度與實測屈服強度的比值不小于1.25;②實測屈服強度與規范規定的屈服強度的比值不大于1.30;③最大力總延伸率不小于9%。為考察國產HRB400E鋼筋的力學性能,羅云蓉等[13]對HRB400E鋼筋焊接接頭的低周疲勞性能進行了研究,結果表明焊接會顯著降低試驗鋼材的疲勞壽命,且焊接接頭的疲勞壽命遠低于母材。陳建云等[14]研究了不同等幅循環加載制度下HRB400E鋼筋的力學性能,發現隨著循環周次的增加,鋼材會呈現出循環軟化的現象,具體表現為峰值應力、彈性模量等力學性能有不同程度的降低。應當指出,受加載后期試件失穩的影響,目前各類鋼材循環加載試驗主要集中在小應變(應變率≤5%)范圍內,而強震作用下鋼筋通常經歷大應變階段,相關研究亟待開展。

本文通過自主研發的防失穩夾具,實現了HRB400E鋼筋的大應變循環加載,并分析了鋼材的單調性能、滯回性能、延性等特征。為對比抗震鋼筋與普通鋼材力學性能的區別,同時進行了普通低碳鋼鋼材的單調及循環加載試驗,并基于能量耗散系數評價了不同鋼材的耗能能力。采用Ramberg-Osgood模型擬合得到了兩種鋼材在不同加載制度下的循環骨架曲線,并將其與單調拉伸曲線進行對比。進一步探究了隨動強化參數對數對滯回曲線模擬效果的影響,并根據循環加載試驗數據標定了Voce-Chaboche模型的混合強化參數,將其植入到ANSYS有限元軟件中進行數值模擬,驗證了標定參數的準確性,為今后準確模擬HRB400E鋼材在地震作用下的大應變循環本構提供了參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

單調拉伸試件共6個,編號為TE/TQ-1～TE/TQ-3,TE為HRB400E鋼筋,TQ為結構用普通低碳鋼,試件尺寸根據GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗第1部分: 室溫試驗方法》[15]進行設計,試件兩側夾持段設置螺紋,螺紋公稱直徑為30 mm,螺距、中徑、小徑分別為3.50 mm、27.73 mm、26.21 mm,具體尺寸如圖1(a)所示。單調拉伸試驗的加載速率為1.2 mm/min,引伸計標距為50 mm。

(b) 循環加載試件圖1 試件尺寸(mm)Fig.1 Specimen size (mm)

循環加載試件共20個,編號為CE/CQ-1～CE/CQ-10(CE為HRB400E鋼材,CQ為普通低碳鋼鋼材),試件尺寸見圖1(b),循環加載試件兩側夾持段設置螺紋,螺紋尺寸同單調加載試件。循環加載試驗采用應變控制加載,加載速率為0.2 mm/min,拉壓引伸計標距為20 mm,拉量程為25%,壓量程為-10%,安裝在試件中部標距段,用橡皮筋固定。

單調拉伸和循環加載試驗均在大量程為600 kN的MTS萬能試驗機上進行,如圖2(a)所示。以往研究表明,采用普通夾具進行循環加載試驗時,鋼材試件易發生屈曲失穩現象,進而導致無法進行大應變循環加載。本文設計了防失穩銷栓螺紋預緊力夾具(圖2(b)),采用屈服強度fy≥785 MPa,抗拉強度fu≥810 MPa的40Cr模具鋼材制作。圖2(c)為夾具拆解圖,試件安裝步驟如下:①銷栓鏈接儀器加載頭和上部螺紋夾具,初擰M72螺母固定上部夾具;②將2個M30螺母擰至試件螺紋根部,靠近標距段,試件一端擰入已固定好的上部螺紋夾具;③將下端螺紋夾具擰在試件另一端上,下移試驗機橫梁使螺紋夾具穿入下端儀器加載頭;④調整角度使下部螺紋夾具孔洞與儀器下方加載頭孔洞同軸,插入銷栓后初擰下端M72螺母固定下方夾具,安裝引伸計;⑤拉伸過程持續擰緊M72螺母和M30螺母,消除螺紋間隙。反向加載時,拉應變的釋放致使M72螺母與儀器加載頭、M30螺母和螺紋夾間建立強大的預緊力,發揮防失穩作用。試驗結束后,拉伸至歷史最大拉應力水平,消除預緊力,手調螺母更換試件。

(a) MTS試驗機

(b) 螺紋預緊力夾具

1.2 循環加載制度

地震作用有隨機性和不確定性,為獲取兩種鋼材在地震作用下的循環本構關系,共設置了10種不同的循環加載制度,包括等幅加載、變幅加載和隨機加載。加載制度如表1和圖3所示。

表1 循環加載制度Tab.1 Cycle loading system

圖3 循環加載制度Fig.3 Cycle loading system

2 試驗結果及分析

2.1 單調拉伸試驗結果

圖4為兩種鋼材的單調拉伸試驗曲線,單調拉伸力學參數如表2所示。由HRB400E鋼筋單調拉伸極限強度與屈服強度的比值為1.49,實測屈服強度與規范規定屈服強度的比值為1.1,最大延伸率為14.21%,鋼材的力學性能符合規范GB/T 1499.2—2018 《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》的要求。

圖4 單調拉伸試驗曲線Fig.4 Monotonic tensile test curve

表2 鋼材單調拉伸力學參數Tab.2 Monotonic tensile mechanical parameters

通過單調拉伸試驗結果的對比發現,TE/TQ兩種鋼材屈強比平均值相近,均表現出較高的強度儲備和較好的延性,單調拉伸作用下HRB400E未見明顯耗能優勢。

2.2 循環加載試驗結果

CE/CQ兩種試件循環加載的實測屈服強度、彈性模量等參數如表3所示,滯回曲線如圖5所示。其中,屈服強度根據首次加載出現的屈服平臺確定。

表3 HRB400E鋼筋循環加載試件力學參數Tab.3 Mechanical parameters of HRB400E steel bar specimen under cyclic loading

圖5 循環加載試驗曲線Fig.5 Cyclic loading test curve

本文設計的夾具可有效的防止鋼材受壓失穩,壓應變超過5%時,仍未出現失穩現象,實現了大應變率循環加載。HRB400E鋼筋與普通低碳鋼鋼材的滯回行為均具有等向強和隨動兩種強化特征:①材料達到屈服后,隨著循環加載次數的增加,試件出現循環硬化現象;②由CE/CQ-1和CE/CQ-2的滯回曲線可見,應變率較大時,“泊松效應”導致對稱加載滯回環最大壓應力高于拉應力;③等幅加載制度下,HRB400E與普通低碳鋼鋼材的硬化幅度均隨循環次數的增加而降低。

圖6為循環加載曲線和單調拉伸曲線的對比。循環荷載作用下,兩種鋼材強度均有明顯的強度提升;雖然普通低碳鋼單調拉伸屈服強度低于HRB400E,但應變率達5%時Q355B拉應力已與HRB400E十分接近,表明前者硬化現象更突出,兩種鋼材硬化參數必有差別,基于普通結構用低碳鋼實測數據標定的循環本構并不適用于特殊調配的抗震鋼筋。

(a) HRB400E

(b) Q355B圖6 循環曲線和單拉曲線對比Fig.6 Comparison between monotonic and cyclic curves

2.3 HRB400E鋼筋與其他鋼材耗能能力對比

采用JGJ101—2015 《建筑抗震試驗方法規程》[16]中的能量耗散系數評估不同鋼材的耗能能力

(1)

式中:SABC+SCDA為滯回環的面積;SOBE+SODF為虛線圍成的兩個三角形的面積。能量耗散系數計算示意如圖7所示。能量耗散系數越大表明材料的滯回曲線越飽滿,可表征材料的耗能能力。

圖7 能量耗散系數計算示意Fig.7 Calculation of energy dissipation coefficient

表4及圖8為各種鋼材在不同應變幅值下能量耗散系數的對比,圖中包含了本文測試的CE/CQ兩種鋼材,以及高強鋼(Q460D)[17]、日本產低屈服鋼(LYP100)[18]和國產低屈服鋼(LY100、LY160、LY225)[19]。循環荷載作用下,得益于較小的硬化幅度,HRB400E鋼材的滯回曲線更飽滿,能量耗散系數大于普通低碳鋼,大應變率循環加載時更明顯,但仍不及國產高強鋼Q460D和低屈服鋼LYP100、LY100、LY160、LY225。

表4 不同鋼材能量耗散系數Tab.4 Energy dissipation coefficients of different steels

圖8 不同鋼材能量耗散系數對比Fig.8 Comparison of energy dissipation coefficients of different steels

2.4 循環骨架曲線

為獲取單調荷載和循環荷載作用下鋼材力學性能的區別,采用Ramberg-Osgood模型[20]對循環加載試驗數據進行擬合,可得到試件在不同加載制度下的循環骨架曲線,可表示為

(2)

式中:Δεe為彈性應變幅;Δεp為塑性應變幅;Δσ為應力幅;Δε為總應變幅;K′和n′為循環強化的相關參數。

表5為擬合得到的循環強化相關參數,圖9為對應的循環骨架曲線與單調拉伸曲線對比。

表5 循環強化參數Tab.5 Parameters of cycle hardening

圖9 循環骨架曲線與單調拉伸曲線對比Fig.9 Comparison between cyclic skeleton curve and monotonic tensile curve

通過對比兩種曲線可知,Ramberg-Osgood模型可以較好的擬合循環骨架曲線;循環荷載作用下兩類鋼材的強化幅度要高于單調拉伸曲線,但不同循環加載制度下材料強度的變化有所不同。應變率達4%時,試件CE-1和試件CE-2的材料強度相較于單調試驗分別提高了23.1%、21.2%,試件CQ-1和試件CQ-2的強度分別提高了25.4%、29.6%。