呼伦贝尔地区持续高寒气候条件下HRB400级钢筋的力学性能试验研究

方明伟 王重阳 王 丹 王祖玉

(呼伦贝尔学院 内蒙古 海拉尔 021008)

引言

呼伦贝尔地区位于我国的高纬度高寒地带，冬季最低气温达到-53.3℃(最北部的漠河市)[1]，施工期短。因为钢筋加工长度过长不适合室内存储，钢筋多处在室外裸露存放的环境[2]，在本地区气候条件下设计和施工，仅参考常温气候条件下的HRB400钢筋力学性是不科学的，长期存放于-35℃～-45℃条件下的HRB400级钢筋，在短时间内被用于现场施工而引发钢筋本身温度骤变(从-40℃骤变到20℃以上)，其力学性能变化不能被忽略[3]，因为建筑材料的力学性能决定着各结构构件的力学性能，各结构构件的力学性能又是整个建筑物质量和安全的关键因素。因此在呼伦贝尔地区对持续高寒气候条件下的HRB400级钢筋力学性能的研究将会为本地区建筑结构质量和安全等课题提供着重要的科学依据。

国内领域学者的研究重点是低温条件下钢材结构的脆性破坏[4]，王元清[5]等人对比三种常用钢材在20℃～-60℃温度条件下进行了力学试验研究，试验结果表明：钢材的强度随温度的降低而增高，伸长率、断面收缩率随温度的降低而减小；刘爽[6]等人对三种不同钢材(HRB335、HRB400和热轧HRB400)在-180℃～-80℃温度条件下进行了力学试验研究，试验结果表明：钢材的应力-应变曲线随着温度的降低基本不变；A Filiatrault和M Holleran为研究低温对钢筋力学性能的影响，在20℃～-40℃温度条件下进行了力学试验研究，试验结果表明：随着温度的降低，钢筋的强度有适度提高[7]；李金玲等[8]对钢筋混凝土在低温条件下的力学性能进行试验探究，得出了力学性能指标随温度的降低而升高；谢剑等[9]在20℃～-165℃温度下进行两种钢筋的力学试验，所得屈服强度和抗拉强度均增大，伸长率δ和断后收缩率ψ均减少。

1 试验设计

1.1试件制作

图1 断裂后试件

1.2 试验加载装置

加载装置采用WDW-500E微机控制万能试验机，如图2所示。试验系统根据《静力单轴试验机检测》[10]。万能试验机根据《静力单轴试验机采集系统的评定》[11]。

图2 拉伸试验加载仪器图

1.3 降温设备

降温设备主要由压缩机、膨胀阀等组成，能够在低温下进行性能试验和科学研究试验，如超低温冰箱、冷库等。市场上能购买到的超低温冰箱，降温范围有限(最低到-60℃左右)，满足试验中对温度控制的要求，图3为HRB400钢筋降温采用的低温试验箱。

图3 低温试验箱图

2 钢筋力学特性

分别在20℃、-40℃(从-40℃骤变到20℃以上)两个温度点，进行钢筋温度骤变试验，HRB400钢筋的应力应变关系曲线如图4所示：

(a) 12组20℃

(b) 12组-40℃

(c) 14组20℃

(d) 14组-40℃

(f) 16组-40℃

分别在20℃、-40℃(从-40℃骤变到20℃以上)两个温度点，进行钢筋温度骤变试验，HRB400钢筋的拉伸试验数据结果如表1所示：

表1 12、14、16组试件拉伸试验数据结果

3 试验结果分析

3.1 HRB400钢筋力学性能分析

试验过程中测量拉伸试件的主要力学指标在20℃、-40℃(从-40℃骤变到20℃以上温度条件)两个温度点，进行钢筋温度骤变试验，得出钢筋主要力学参数。然后总结温度骤变状态与常温状态钢筋强塑性指标的变化规律。

图5 抗拉强度σu、屈服强度σy对比

图6 断后伸长率δ、断后收缩率ψ对比

由图5可知，试件的抗拉强度随着温度的骤变而提高，与20℃的抗拉强度相比，在-40℃发生温度骤变后的抗拉强度分别提高了6.6%；试件的屈服强度随着温度的骤变有不同程度的提高，与20℃的屈服强度相比，在-40℃发生温度骤变后的屈服强度分别提高了10.1%。

由图6可知，试件断后伸长率δ随着温度的骤变而减小，与20℃的断后伸长率相比，在-40℃发生温度的骤变后的断后伸长率降低了12.8%，说明随着温度的骤变，试件的断后收缩率ψ不断减小，与20℃的断后收缩率相比，在-40℃发生温度骤变后的断后收缩率降低了6.23%，说明随着温度的骤变，试件的塑性降低。

3.2 HRB400钢筋试验现象分析

由试验得到的18根钢筋试件的各项力学数据均比较接近，且均符合我国现规范要求。试件加载过程一直持续到试件断裂，试件的断面程凹凸陷状，图7为钢筋断裂后横截面。

图7 钢筋断裂后横截面图

结语

温度骤变使钢筋的屈服强度σy和抗拉强度σu均有所提高，断后伸长率δ和断面收缩率ψ均有所减小；对钢筋的弹性模量E影响不是很明显，且应力-应变曲线的形状基本类似。