木工程中钢筋拉力的金属磁记忆研究

(重庆交通大学 重庆 400074)

钢筋作为普通钢筋混凝土结构中主要承受拉力的材料，从受载到断裂一般会经历弹性、屈服、强化与颈缩四个阶段。钢筋内部应力在到达屈服点之后，会产生较大的塑性变形使得钢筋混凝土结构出现过大变形与过宽裂缝而不能正常使用。在实际工程中，以钢筋的屈服强度作为钢筋的强度限值，且按其屈服下限来确定。因此在钢筋混凝土结构中，对于钢筋在受拉过程中应力是否达到屈服强度的判断与应力的识别十分重要。

一、试验材料与方法

拉伸试验采用的试件的为土木工程中用HRB400螺纹钢筋，每根试件的长度为500mm，拉伸试验采用直径为12mm的钢筋试件。拉伸试验用于拉伸钢筋试件的试验仪器为电动式伺服万能试验机，磁信号采集探头分别选用5cm、10cm、15cm三个提离值进行扫描。

钢筋试件用于拉伸过程中的漏磁信号的扫描采集使用，事先测定进入屈服强度所需要位移，作为该组钢筋试件“按位移加载”方式的目标位移。拉伸试验过程中，伺服万能试验机对所有试件均采用“按位移加载”方式加载，加载位移从0mm开始以5mm/min的加载速率拉伸至目标位移。在从0mm拉伸至目标位移的整个拉伸过程中，加载位移每增加1mm则暂停拉伸，待受力稳定后对该加载位移所对应拉力下的钢筋试件分别进行三个提离值下的金属磁记忆信号By的采集，钢筋此时仍然处于拉伸状态，即在线采集金属磁记忆信号。该加载位移下的金属磁记忆信号扫描结束后继续重复下一个位移步长为1mm的加载和扫描，直至加载的目标位移。

二、结果与讨论

直径为12mm的钢筋试件进入其屈服阶段所需要的加载位移为13mm(屈服阶段对应的拉力为56kN)，进入强化阶段时的加载位移为21mm，钢筋的极限抗拉强度所对应的静载拉力约为67kN。

所以可以确定对于12mm直径组中的第二根钢筋试件，静力加载的最终目标位移为16mm，依据该加载的目标位移，伺服万能试验机以5mm/min的加载速率，同时以步长为1mm的位移增量对试件组的第二根钢筋试件进行加载，加载的同时针对不同提离值的工况进行金属磁记忆信号的采集。拉伸试验在每次静力加载增加1mm加载位移，需要采集试件在该加载位移下的金属磁记忆信号之前，应先确定钢筋试件受力稳定，然后再采集其中间段230mm长的金属磁记忆信号，且采集的金属磁记忆信号为沿着钢筋试件长度方向即顺筋方向的分量By。

对于整根钢筋试件By的分布情况，在数值上呈现出两端小中间大的分布，By数值从两端到中间连续均匀过渡，没有出现明显的数值跳跃现象。根据金属磁记忆的相关知识可知，在地磁场的作用下，金属铁磁性工件会出现自发磁化的现象，在工件的缺陷处会产生自有漏磁场，出现磁场的异常变化，无缺陷处则呈现稳定一致的磁场分布。两端By数值比中间小的原因可以解释为钢筋试件的端头效应。同时在整个拉伸过程中，随着试验中加载位移的增大，钢筋试件中的金属磁记忆信号呈现出明显变化的趋势，处于拉伸过程中线性弹性阶段的金属磁记忆信号By的变化，较靠近钢筋试件的屈服阶段(非线性弹性阶段)的加载更为明显。在不同提离值工况下，整根钢筋试件在静载拉力与外部磁场(主要为地磁场)的共同作用下，整体金属磁记忆信号的By分量在数值上呈现出先增大后减小的特征，即整根钢筋试件的By曲线先向上移动然后向下移动，可知随着拉力的增加，By磁信号在拉伸过程中的非线性弹性阶段会出现极值，随后进入屈服阶段By逐渐减小。

直径12mm的钢筋试件在不同提离值下所采集到的By磁信号的差值在两端比中间大。同时，随着磁信号采集时提离值的增大，钢筋试件的By磁信号在数值上变小，在采集结果图中则表现出整根曲线向下移动。

三、结论

本文通过对土木工程中常见的12mm直径螺纹钢筋按位移静力加载，同时在加载过程中采集其表面自发漏磁场信号，通过对其切向分量的分析可以得出，钢筋试件作为典型的铁磁材料，在拉力作用下会发生沿拉力方向的应力磁化，导致表面自发漏磁场增强，且钢筋直径越大，相同拉应力下漏磁场强度改变越大。单根钢筋试件在静力加载的过程中，整根钢筋的表面磁信号在线弹性阶段随着拉力的增大而单调增加可以据此推断钢筋中的拉力大小。当拉应力进入非线性弹性阶段时漏磁信号会出现极值且之后改变缓慢，因此该极值可以预示钢筋试件即将达到屈服点。