高强钢筋高温作用浸水冷却后的强度分析

秦培巧

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

0 前 言

建筑结构在经历火灾后其表层温度迅速升高,高温作用致使钢筋的力学性能急剧下降,尤其是受力钢筋强度的降低退化,将导致结构承载力下降,造成建筑物坍塌[1]。600 MPa级钢筋作为一种高强钢筋,具有力学性能良好、可加工性能优异、安全性高以及节能环保等特点。鉴于以上优异的综合性能,600 MPa级钢筋已经在国外一些发达国家普及使用,而在我国针对600 MPa级钢筋的研究也正在逐步展开,管俊峰等[2-4]研究了600 MPa级新型抗震钢筋力学特性并进一步探索了600 MPa级高强钢筋混凝土梁的抗裂及变形性能。而目前对于600 MPa级钢筋的耐高温性能研究较少,现有的建筑防火规范也仅仅是关于低强度钢筋混凝土结构的[5-6]。因此,进行高温后600 MPa级钢筋的力学性能研究可为600 MPa级钢筋混凝土结构抗火设计及灾后的损伤程度评定与修复提供依据。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

本试验所用材料为直径18 mm、经过特殊工艺轧制而成的600 MPa级高强钢筋,试样长度为500 mm。

1.2 试验方法

试验采用箱式电炉,最高加热温度为1 200℃。试验时将钢筋试样放入箱式电炉内,2 h加热到目标温度(550℃和750℃),之后恒温2 h,然后将钢筋试样浸水冷却。采用最大荷载为600 kN的电液伺服万能试验机进行高温后钢筋试件的轴向拉伸试验,根据《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[7]规定的试验方法进行加载,全程采用“力控”加载模式,试验过程中记录钢筋的荷载-变形曲线,获取钢筋试样的屈服荷载和极限荷载。

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变曲线

图1给出了高温后钢筋试样典型的应力-应变曲线。可以看到,经历550℃高温作用后的钢筋试样其应力-应变曲线与常温时的应力-应变曲线形状基本保持一致,仍由弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和径缩阶段组成,其屈服台阶相比常温时的高强钢筋试件有所提高,但极限强度变化不大。 经历750℃高温作用后的钢筋试样屈服阶段消失,但其极限抗拉强度相比于常温和550℃时的试件显著增大。

图1 典型的应力-应变曲线

2.2 强 度

图2给出了高温后600 MPa级高强钢筋极限抗拉强度和屈服强度的试验结果。可以看出,高温对于600 MPa级高强钢筋的极限抗拉强度和屈服强度均有一定程度影响。与常温时的钢筋试样相比,550℃高温作用后钢筋的极限强度下降0.5%,屈服强度则增加2.7%；而750℃高温作用后钢筋的极限强度呈现出明显增加的趋势,与常温时和550℃高温作用后的高强钢筋相比,极限抗拉强度分别提高了25.8%和26.4%。但是需要指出的是,600 MPa级高强钢筋在750℃高温作用后,其屈服台阶消失,无屈服强度。这主要是由于750℃高温作用和浸水冷却引发钢筋内部金相组织变化造成的[8]。

图2 高温后600 MPa级高强钢筋强度变化

经历550℃高温作用后高强钢筋试样的强屈比为1.27,而经750℃高温作用后高强钢筋试样无法计算出其强屈比。常温时钢筋的强屈比为1.30,表明不同温度作用及浸水冷却方式对钢筋强屈比结果影响较大,因此，需要对具有抗震要求的钢筋混凝土结构进行结构抗火设计时，应该考虑不同温度和浸水冷却对钢筋强度的影响。

3 结 论

1)经历550℃高温作用并经浸水冷却后,600 MPa级高强钢筋的应力-应变曲线仍包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和径缩阶段,而750℃高温作用后的高强钢筋其屈服台阶消失。

2)750℃高温作用对600 MPa级高强钢筋的极限抗拉强度和屈服强度有显著的影响,其极限抗拉强度相比常温和550℃高温作用的钢筋试样来说,分别提高了25.8%和26.4%。

3)使用600 MPa级高强钢筋进行钢筋混凝土结构抗火设计时，应该考虑不同温度对于钢筋的影响；在进行火灾后建筑结构安全性评价时，应该考虑淋水灭火方式的影响。

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