锈坑对钢筋高温后力学性能的影响

刘崇勋, 巴光忠, 郑欣欣, 周家欣

（上海海事大学海洋科学与工程学院, 上海 201306）

钢筋锈蚀是导致混凝土结构破坏的最主要因素, 对建筑结构的适用性及安全性有重要的影响[1］.目前, 关于锈坑形态对钢筋力学性能影响的研究主要集中在常温环境下, 对高温后锈坑形态影响钢筋力学性能的研究较少[2］.罗小勇等[3］认为, 锈蚀钢筋的力学性能与最小残余截面积相关, 仅用平均锈蚀率难以准确衡量钢筋变形能力的退化.袁迎曙等[4］以锈坑的自然锈蚀表观特征为依据, 加工模拟锈蚀钢筋, 进一步分析了坑状锈蚀钢筋性能退化的机理.Liu等[5］通过三维扫描技术得到锈蚀钢筋的高精度三维模型, 对锈坑形状进行了拟合, 发现锈坑的最优拟合曲线是双曲线.Cerit等[6-8］和Huang等[9］针对椭圆形锈坑对钢筋力学性能的影响进行研究, 发现锈坑的深宽比是影响应力集中系数的主要参数, 并拟合出了相关公式.马亚飞等[10］通过机械加工不同形状缺口的钢筋来模拟局部锈蚀对钢筋力学性能的影响, 发现缺口的形状对应力集中系数有一定的影响.

火灾作为一种发生频率较高的灾害, 通常会造成严重的财产损失, 所以对建筑结构抗火性能的研究一直是国内外学者研究的重要课题[11-12］.部分既有锈蚀混凝土结构仍有可能会经历火灾（高温）作用, 高温后锈蚀钢筋的力学性能是评估结构残余性能的基础.本文选取工程中常用的HRB400钢筋来加工模拟锈蚀试件, 然后分别进行高温加热试验和拉伸试验, 研究其力学性能的变化规律.同时, 采用有限元软件对模拟锈坑的应力分布进行仿真模拟, 得到温度、模拟锈坑形状和位置等对钢筋应力分布的影响, 以期为高温后锈蚀钢筋的力学性能评估提供相关依据.

1 试验研究

1.1 试件制作

原材料为HRB400级热轧螺纹钢筋, 尺寸为ϕ9×110 mm, 常温下屈服强度为425 MPa, 极限强度为620 MPa, 伸长率为22.4%.钢筋的化学组成如表1所示.试验以机械加工的缺口来模拟锈蚀钢筋的锈坑, 模拟锈坑的形状选取双曲线（H）和椭圆形（E）2种[3-11, 13］.试件形状如图1所示, 模拟锈坑的形状尺寸如图2所示, 同一形状缺口以深度（dp）和宽度（bp）的比值深宽比（dp/bp）作为变量进行比较, 相关参数如表2所示.

表1 钢筋的化学组成Table 1 Chemical composition of steel bar w/%

图1 试件形状示意图Fig.1 Schematic diagram of specimen（size：mm）

图2 模拟锈坑的形状和尺寸Fig.2 Shapes and sizes of artificial corrosion pits

表2 模拟锈坑的参数Table 2 Parameters of artificial corrosion pits

1.2 试验设备

力学性能试验采用Zwick Z250TEW型250 kN万能材料试验机, 最大载荷为100 kN, 棒材试件的夹持范围为0～15 mm.

热处理设备是普通的马弗炉, 加热温度范围为100～1 000℃, 控温精度为±1℃.

1.3 试验方法

试验包括热处理与静力拉伸试验2部分.

（1）为了探究温度对带锈坑试件力学性能的影响, 选取了20（室温）、200、400、600、700、800℃等6个温度.将试件放入普通的马弗炉内, 以10℃/min的加热速率进行升温, 达到目标温度后保温20 min, 然后停止加热并在炉内自然冷却到室温.

（2）钢筋静力拉伸试验依据GB/T 228—2002《金属材料—室温拉伸实验方法》, 在万能材料试验机上进行.在试件的原始标距上做上标记, 用于观察断裂位置, 标距为45 mm, 拉伸试验加载速率为0.002 s-1, 试验中实时记录应力-应变（σ-ε）曲线.

2 数值分析

2.1 数值计算工况

有限元分析选用的软件是ANSYS Workbench, 三维模型在Creo 6.0软件中建立, 为了探究模拟锈坑对钢筋力学性能的影响, 建立了单个锈坑和2个锈坑2种模型, 模拟锈坑仿真模型的参数如表3、4所示.同时, 考虑热处理对模拟锈坑钢筋力学性能的影响, 增加6个数值仿真温度, 分别为20、200、400、600、700、800℃.单个模拟锈坑的仿真模型标距取45 mm, 锈坑的形状和尺寸如图2所示.考虑模拟锈坑角度对钢筋力学性能的影响, 取深度为2 mm的椭圆形锈坑, 深宽比为0.5, 相邻锈坑的径向轴线夹角θ为0°、15°、30°、45°、60°、90°和180°, 相邻锈坑模型和剖视图如图3所示.数值分析的模型单元采用SOLID186高阶单元, 该单元具有模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料变形的能力, 可以很好地应用在模拟钢筋拉伸的过程中.

表3 单个模拟锈坑的数值模拟参数Table 3 Parameters of corrosion pit simulation model of single artificial corrosion pit

图3 相邻模拟锈坑模型和剖视图Fig.3 Model and sectional view of adjacent artificial corrosion pit

2.2 钢筋本构模型

有限元分析的前提是提供准确的钢筋本构模型.在拉伸过程中, 试件任一瞬时的面积A与标距L是在变化的, 而通过试验得到的名义应力σ0和名义应变ε0是按照初始面积A0和标距L计算的, 因此任一瞬时的真实应力σ和真实应变ε与相应的名义应力σ0和名义应变ε0存在差异, 在塑性阶段这种差异会逐渐增大.在均匀变形阶段, 真实应力定义为σ, 根据塑性变形体积V不变的假设, 真实应力σ和真实应变ε的转换关系如式（1）、（2）所示.

根据上述的转换关系和试验得到的应力-应变关系, 可以得到在各个温度作用后未锈蚀钢筋的真实应力-应变关系（见图4）, 并作为数值分析材料应力-应变曲线.

表4 相邻模拟锈坑的数值模拟参数Table 4 Parameters of corrosion pit simulation model of adjacent artificial corrosion pits

图4 真实应力-应变曲线Fig.4 True stress-strain curves

2.3 数值模型验证

利用本文的试验结果验证数值模拟的准确性.将不同温度下数值仿真的结果与试验值进行比较, 结果如图5所示.由图5可见：温度和模拟锈坑形状对屈服荷载和极限荷载都有影响；随着温度的增加, 屈服荷载和极限荷载整体呈现减小的趋势, 但在700℃时屈服荷载急剧下降, 极限荷载出现急剧增加, 然后随着温度的增加又恢复整体趋势；在弹性阶段载荷-位移曲线的试验值与仿真计算值符合较好, 本文数值模拟对象是弹性阶段的钢筋性能, 所以可认为本文数值模拟是准确的.

图5 不同温度下载荷-位移曲线试验值与计算值的比较Fig.5 Comparison between experimental values and simulated values of load-displacement curves at different temperatures

3 数值模拟结果

3.1 模拟锈坑的应力分布

3.1.1 单个模拟锈坑的应力分布

通过数值仿真可以得到模拟锈坑的应力分布图, 如图6所示.由图6可见, 模拟锈坑的应力最大值在锈坑底部, 最小值在沿载荷施加方向的锈坑边缘, 与椭圆形锈坑应力最大值位于底部相同[5］.

图6 模拟锈坑的应力分布Fig.6 Stress distribution at artificial corrosion pit

3.1.2相邻模拟锈坑的应力分布

图7为相邻模拟锈坑的径向截面应力分布图。其中相邻锈坑的夹角θ分别为0°、15°、30°、45°、60°、90°和180°.由图7可见：当模拟锈坑之间的夹角θ为15°、30°和90°、180°时, 相邻锈坑对应力分布影响较小, 锈坑附近应力集中的位置在2个锈坑的底部；在30°～90°时, 随着θ的增大, 应力集中的位置在锈坑的相交部位.

图7 相邻模拟锈坑的径向截面应力分布图Fig.7 Stress distributions of radial section of adjacent artificial corrosion pits

3.2 应力集中系数

应力集中系数（α）受材料类型、缺口几何形状和温度等因素的影响, 其求解公式如式（3）所示, 其中σmax为局部最大弹性应力[14］.

3.2.1 单个模拟锈坑的应力集中系数

图8为单个模拟锈坑的应力集中系数.由图8可见：不同类型模拟锈坑的应力集中系数在20～700℃温度范围内基本保持不变, 在800℃时下降较为明显, 约为室温下的10%；当经历的温度相同时, 对于开口宽度相同的相同形状锈坑, 随着深宽比的增加, 锈坑的应力集中系数会变大；当深宽比和开口宽度相同时, 双曲线形锈坑的应力集中系数比椭圆形的大, 锈坑形状对应力集中系数有所影响[10］.

图8 单个模拟锈坑的应力集中系数Fig.8 Stress concentration factor of single artificial corrosion pit

为了探究相同深宽比下, 模拟锈坑的开口宽度bp对应力集中系数的影响, 在相同深宽比下建立了开口宽度为0.5、1.0、2.0 mm的椭圆形模拟锈坑模型, 具体参数如表3所示, 计算得到深宽比对应力集中系数的影响, 如图9所示.由图9可见：深宽比为1、开口宽度为1.0、2.0 mm的锈坑, 在20～600℃温度范围内, 应力集中系数随着开口宽度增大而增大且变化趋势基本保持一致, 在经历600～800℃后, 不同开口宽度锈坑的应力集中系数变化趋势出现了较大的偏差.开口宽度为2.0 mm锈坑的应力集中系数在600～700℃温度范围内急剧下降, 并在800℃时有所增加；不同开口宽度的锈坑, 应力集中系数随温度变化的趋势基本一致, 开口宽度越大, 应力集中系数越大；相同的深宽比下, 应力集中系数随着开口宽度的增大而增大, 深宽比较小时, 温度对应力集中系数的变化趋势影响较大.

图9 深宽比对应力集中系数的影响Fig.9 Effect of opening width on stress concentration factor

3.2.2 相邻模拟锈坑的应力集中系数

图10为相邻模拟锈坑的应力集中系数.由图10可见：（1）在相邻夹角θ为0°～30°时, 应力集中系数缓慢增加（700℃除外）；在30°～90°之间时, 应力集中系数先增加后减小, 最大值出现在45°～60°之间, 在90°～180°, 应力集中系数基本保持不变, 且与单个锈坑（θ=0°）时的值一样.（2）随着温度的增加, 应力集中系数也会发生相应的变化；当温度在20～600℃时, 模拟锈坑的应力集中系数在θ为0°～30°和90°～180°时相对变化很小, 变化值为2%；在这个相邻夹角区域, 700、800℃的高温作用对应力集中系数影响相对较大, 变化的幅度为10%；模拟锈坑的最大应力集中系数随着温度的增加逐渐减小, 在800℃时较常温时减小了10%；在700℃时应力集中系数突然增加, 是因为700℃作用后钢筋的材料性能发生了明显变化, 造成应力集中系数发生突变.

图10 相邻模拟锈坑的应力集中系数Fig.10 Stress concentration factor of adjacent artificial corrosion pits

4 结论

（1）单个模拟锈坑底部的应力最大, 在沿载荷施加方向锈坑边缘处最小, 越靠近锈坑底部, 应力越大.双曲线形锈坑的应力集中系数要明显大于相同尺寸下的椭圆形锈坑.

（2）温度、锈坑宽度和深宽比对单个模拟锈坑的应力集中系数都有影响.当经历的温度小于700℃时, 锈坑的应力集中系数基本保持不变, 在经历800℃的高温作用后, 锈坑的应力集中系数约下降10%.当锈坑宽度相同时, 应力集中系数随着深宽比的增加而增加.当深宽比不同时, 温度对小深宽比锈坑的应力集中系数影响较大.

（3）对于带有2个模拟锈坑的试样, 当锈坑夹角在30°～60°时, 应力集中系数明显增加.随着夹角的增大, 应力集中系数迅速减小.整体上随着温度的增加, 应力集中系数逐渐减小, 但在700℃时由于材料性能变化明显, 导致应力集中系数最大.