HRB400E抗震钢筋拉压循环本构关系

2023-10-18赵卫平常昊坛郑宏利纪强溪

振动与冲击 2023年19期

赵卫平, 常昊坛, 郑宏利, 杨虹, 郭飞, 纪强溪

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100083; 2.中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 101500;3.北京市政建设集团有限责任公司,北京 100048)

强烈地震作用下,结构构件常会承受巨大的往复地震力,主要特点为经历的滞回圈数少、荷载持续时间短、结构塑性变形大[1-4]。结构构件抵抗地震作用主要依靠构造设计和材料承受超低周循环荷载的能力[5-6]。循环荷载作用下钢材的力学性能对评估结构的抗震性能具有重要意义。

各类钢材循环本构关系的研究一直是国内外学者关注的热点。石永久等[7]完成了普通钢材(Q235B、Q345B)的循环加载试验,并提出了循环荷载下的单轴简化本构关系。Wang等[8]对Q690D高强钢进行了循环加载试验,建立了可考虑包辛格效应和循环软化效应的混合强化预测模型。王元清等[9]研究了奥氏体不锈钢在循环荷载下的本构关系,结果显示不锈钢材料在循环荷载作用下的滞回曲线较为饱满,表明此类钢材具有良好的耗能能力。Wang等[10]对低屈服钢的循环性能和本构模型进行了研究,同时采用能量耗散系数对比了不同钢材的耗能能力,结果显示低屈服钢的能量耗散系数大于普通钢材和高强钢材,表明低屈服钢的耗能能力较强。He等[11]对LYP100钢材进行了循环加载试验,提出了修正的Y-U模型,并开发了相应的数值算法,结果证实修正模型可有效的量化LYP100钢材的循环加载性能。

随着我国对于结构抗震性能要求的逐步提高,抗震钢筋现已广泛应用于建筑结构之中,我国现行规范GB/T 1499.2—2018 《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》[12]新增加了带“E”的钢筋牌号,“E”为 “Earthquake”的缩写,规范对抗震钢筋的力学性能做了如下规定:①实测抗拉强度与实测屈服强度的比值不小于1.25;②实测屈服强度与规范规定的屈服强度的比值不大于1.30;③最大力总延伸率不小于9%。为考察国产HRB400E钢筋的力学性能,罗云蓉等[13]对HRB400E钢筋焊接接头的低周疲劳性能进行了研究,结果表明焊接会显著降低试验钢材的疲劳寿命,且焊接接头的疲劳寿命远低于母材。陈建云等[14]研究了不同等幅循环加载制度下HRB400E钢筋的力学性能,发现随着循环周次的增加,钢材会呈现出循环软化的现象,具体表现为峰值应力、弹性模量等力学性能有不同程度的降低。应当指出,受加载后期试件失稳的影响,目前各类钢材循环加载试验主要集中在小应变(应变率≤5%)范围内,而强震作用下钢筋通常经历大应变阶段,相关研究亟待开展。

本文通过自主研发的防失稳夹具,实现了HRB400E钢筋的大应变循环加载,并分析了钢材的单调性能、滞回性能、延性等特征。为对比抗震钢筋与普通钢材力学性能的区别,同时进行了普通低碳钢钢材的单调及循环加载试验,并基于能量耗散系数评价了不同钢材的耗能能力。采用Ramberg-Osgood模型拟合得到了两种钢材在不同加载制度下的循环骨架曲线,并将其与单调拉伸曲线进行对比。进一步探究了随动强化参数对数对滞回曲线模拟效果的影响,并根据循环加载试验数据标定了Voce-Chaboche模型的混合强化参数,将其植入到ANSYS有限元软件中进行数值模拟,验证了标定参数的准确性,为今后准确模拟HRB400E钢材在地震作用下的大应变循环本构提供了参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

单调拉伸试件共6个,编号为TE/TQ-1～TE/TQ-3,TE为HRB400E钢筋,TQ为结构用普通低碳钢,试件尺寸根据GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验第1部分: 室温试验方法》[15]进行设计,试件两侧夹持段设置螺纹,螺纹公称直径为30 mm,螺距、中径、小径分别为3.50 mm、27.73 mm、26.21 mm,具体尺寸如图1(a)所示。单调拉伸试验的加载速率为1.2 mm/min,引伸计标距为50 mm。

(b) 循环加载试件图1 试件尺寸(mm)Fig.1 Specimen size (mm)

循环加载试件共20个,编号为CE/CQ-1～CE/CQ-10(CE为HRB400E钢材,CQ为普通低碳钢钢材),试件尺寸见图1(b),循环加载试件两侧夹持段设置螺纹,螺纹尺寸同单调加载试件。循环加载试验采用应变控制加载,加载速率为0.2 mm/min,拉压引伸计标距为20 mm,拉量程为25%,压量程为-10%,安装在试件中部标距段,用橡皮筋固定。

单调拉伸和循环加载试验均在大量程为600 kN的MTS万能试验机上进行,如图2(a)所示。以往研究表明,采用普通夹具进行循环加载试验时,钢材试件易发生屈曲失稳现象,进而导致无法进行大应变循环加载。本文设计了防失稳销栓螺纹预紧力夹具(图2(b)),采用屈服强度fy≥785 MPa,抗拉强度fu≥810 MPa的40Cr模具钢材制作。图2(c)为夹具拆解图,试件安装步骤如下:①销栓链接仪器加载头和上部螺纹夹具,初拧M72螺母固定上部夹具;②将2个M30螺母拧至试件螺纹根部,靠近标距段,试件一端拧入已固定好的上部螺纹夹具;③将下端螺纹夹具拧在试件另一端上,下移试验机横梁使螺纹夹具穿入下端仪器加载头;④调整角度使下部螺纹夹具孔洞与仪器下方加载头孔洞同轴,插入销栓后初拧下端M72螺母固定下方夹具,安装引伸计;⑤拉伸过程持续拧紧M72螺母和M30螺母,消除螺纹间隙。反向加载时,拉应变的释放致使M72螺母与仪器加载头、M30螺母和螺纹夹间建立强大的预紧力,发挥防失稳作用。试验结束后,拉伸至历史最大拉应力水平,消除预紧力,手调螺母更换试件。

(a) MTS试验机

(b) 螺纹预紧力夹具

1.2 循环加载制度

地震作用有随机性和不确定性,为获取两种钢材在地震作用下的循环本构关系,共设置了10种不同的循环加载制度,包括等幅加载、变幅加载和随机加载。加载制度如表1和图3所示。

表1 循环加载制度Tab.1 Cycle loading system

图3 循环加载制度Fig.3 Cycle loading system

2 试验结果及分析

2.1 单调拉伸试验结果

图4为两种钢材的单调拉伸试验曲线,单调拉伸力学参数如表2所示。由HRB400E钢筋单调拉伸极限强度与屈服强度的比值为1.49,实测屈服强度与规范规定屈服强度的比值为1.1,最大延伸率为14.21%,钢材的力学性能符合规范GB/T 1499.2—2018 《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》的要求。

图4 单调拉伸试验曲线Fig.4 Monotonic tensile test curve

表2 钢材单调拉伸力学参数Tab.2 Monotonic tensile mechanical parameters

通过单调拉伸试验结果的对比发现,TE/TQ两种钢材屈强比平均值相近,均表现出较高的强度储备和较好的延性,单调拉伸作用下HRB400E未见明显耗能优势。

2.2 循环加载试验结果

CE/CQ两种试件循环加载的实测屈服强度、弹性模量等参数如表3所示,滞回曲线如图5所示。其中,屈服强度根据首次加载出现的屈服平台确定。

表3 HRB400E钢筋循环加载试件力学参数Tab.3 Mechanical parameters of HRB400E steel bar specimen under cyclic loading

图5 循环加载试验曲线Fig.5 Cyclic loading test curve

本文设计的夹具可有效的防止钢材受压失稳,压应变超过5%时,仍未出现失稳现象,实现了大应变率循环加载。HRB400E钢筋与普通低碳钢钢材的滞回行为均具有等向强和随动两种强化特征:①材料达到屈服后,随着循环加载次数的增加,试件出现循环硬化现象;②由CE/CQ-1和CE/CQ-2的滞回曲线可见,应变率较大时,“泊松效应”导致对称加载滞回环最大压应力高于拉应力;③等幅加载制度下,HRB400E与普通低碳钢钢材的硬化幅度均随循环次数的增加而降低。

图6为循环加载曲线和单调拉伸曲线的对比。循环荷载作用下,两种钢材强度均有明显的强度提升;虽然普通低碳钢单调拉伸屈服强度低于HRB400E,但应变率达5%时Q355B拉应力已与HRB400E十分接近,表明前者硬化现象更突出,两种钢材硬化参数必有差别,基于普通结构用低碳钢实测数据标定的循环本构并不适用于特殊调配的抗震钢筋。

(a) HRB400E

(b) Q355B图6 循环曲线和单拉曲线对比Fig.6 Comparison between monotonic and cyclic curves

2.3 HRB400E钢筋与其他钢材耗能能力对比

采用JGJ101—2015 《建筑抗震试验方法规程》[16]中的能量耗散系数评估不同钢材的耗能能力

(1)

式中:SABC+SCDA为滞回环的面积;SOBE+SODF为虚线围成的两个三角形的面积。能量耗散系数计算示意如图7所示。能量耗散系数越大表明材料的滞回曲线越饱满,可表征材料的耗能能力。

图7 能量耗散系数计算示意Fig.7 Calculation of energy dissipation coefficient

表4及图8为各种钢材在不同应变幅值下能量耗散系数的对比,图中包含了本文测试的CE/CQ两种钢材,以及高强钢(Q460D)[17]、日本产低屈服钢(LYP100)[18]和国产低屈服钢(LY100、LY160、LY225)[19]。循环荷载作用下,得益于较小的硬化幅度,HRB400E钢材的滞回曲线更饱满,能量耗散系数大于普通低碳钢,大应变率循环加载时更明显,但仍不及国产高强钢Q460D和低屈服钢LYP100、LY100、LY160、LY225。

表4 不同钢材能量耗散系数Tab.4 Energy dissipation coefficients of different steels

图8 不同钢材能量耗散系数对比Fig.8 Comparison of energy dissipation coefficients of different steels

2.4 循环骨架曲线

为获取单调荷载和循环荷载作用下钢材力学性能的区别,采用Ramberg-Osgood模型[20]对循环加载试验数据进行拟合,可得到试件在不同加载制度下的循环骨架曲线,可表示为

(2)

式中:Δεe为弹性应变幅;Δεp为塑性应变幅;Δσ为应力幅;Δε为总应变幅;K′和n′为循环强化的相关参数。

表5为拟合得到的循环强化相关参数,图9为对应的循环骨架曲线与单调拉伸曲线对比。

表5 循环强化参数Tab.5 Parameters of cycle hardening

图9 循环骨架曲线与单调拉伸曲线对比Fig.9 Comparison between cyclic skeleton curve and monotonic tensile curve

通过对比两种曲线可知,Ramberg-Osgood模型可以较好的拟合循环骨架曲线;循环荷载作用下两类钢材的强化幅度要高于单调拉伸曲线,但不同循环加载制度下材料强度的变化有所不同。应变率达4%时,试件CE-1和试件CE-2的材料强度相较于单调试验分别提高了23.1%、21.2%,试件CQ-1和试件CQ-2的强度分别提高了25.4%、29.6%。