高強(qiáng)鋼筋綜合抗震性能研究及機(jī)理分析.pdf

1、近幾年來,抗震工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)取得巨大成就,然而地震設(shè)防區(qū)工程結(jié)構(gòu)用鋼的抗震性能卻沒有引起人們足夠的重視。強(qiáng)震發(fā)生時(shí),脆性的混凝土開裂是不可避免的,開裂處鋼筋往往承受極大的局部拉壓交變載荷并產(chǎn)生很高的水平方向循環(huán)應(yīng)變,鋼筋如果斷裂則整個(gè)建筑物倒塌。橋梁,鐵軌以及吊車梁等很多構(gòu)件都會(huì)遭受這種動(dòng)態(tài)載荷,所以全面系統(tǒng)性的研究地震載荷下鋼筋的變形及破壞特征是必要和有意義的。
　　本文基于系統(tǒng)性的抗震觀點(diǎn),建立了以高應(yīng)變低周疲勞性能為

2、主,包括應(yīng)變時(shí)效敏感性,低溫脆性,可焊性及強(qiáng)塑性配合等五大體系的綜合抗震指標(biāo),對釩氮微合金化(VN),軋后余熱處理(QST)及細(xì)晶化(FG)三種不同生產(chǎn)工藝得到的同級(jí)別靜態(tài)力學(xué)性能相近的高強(qiáng)鋼筋(400MPa、500MPa)進(jìn)行了綜合抗震性能測試分析,結(jié)果如下:
　　高應(yīng)變低周疲勞性能:采用雙參數(shù)Weibull最佳線性不變估計(jì)法對分散的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),用Coffin-Manson和Hollomon公式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

3、建立一個(gè)新的預(yù)測模型來表示地震載荷下的能量吸收率并命名為循環(huán)韌度。計(jì)算結(jié)果表明400VN鋼筋循環(huán)韌度為15.4J/cm3,400FG鋼為15.2J/cm3,400QST鋼為12.6J/cm3。SEM觀察發(fā)現(xiàn)大量密集的疲勞輝紋和輪胎花樣分布在VN鋼筋疲勞斷口上,說明VN鋼筋吸收了較多的循環(huán)塑性變形能,具有最佳的高應(yīng)變低周疲勞性能。QST鋼因?yàn)樾牟亢屯鈱咏M織不同而產(chǎn)生較大應(yīng)力集中,循環(huán)過程生成很多較深的二次裂紋,加速循環(huán)軟化使鋼筋過早疲勞斷

4、裂。
　　應(yīng)變時(shí)效敏感性:把塑性應(yīng)變量為5％的400MPa級(jí)別三種鋼筋在100℃下恒溫3小時(shí),計(jì)算其強(qiáng)度升高率△U和延伸率的降低率△E,結(jié)果表明400VN鋼的△E和△U最小,分別為6.82%,2.79%,其應(yīng)變時(shí)效不敏感,證明VN鋼中的V可以完全抑制自由N原子重新釘扎位錯(cuò)。400FG鋼的最大,分別10.55%和3.36%,其應(yīng)變時(shí)效很敏感。
　　可焊性:通過閃光對焊技術(shù)分別連接400MPa級(jí)別的的三種鋼筋,焊后拉伸性能測試結(jié)

5、果表明焊縫距斷口平均距離(H)都大于30mm。其中,VN鋼焊后性能穩(wěn)定,可焊性最佳,適用于地震設(shè)防區(qū);QST鋼具有一定的可焊性,但H波動(dòng)大,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定;FG鋼塑性下降較快,焊接性能相對較差。
　　低溫脆性:沖擊結(jié)果表明,400MPa級(jí)別的三種鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度都在-40℃以下,符合寒冷地區(qū)鋼筋抗震使用標(biāo)準(zhǔn)。
　　強(qiáng)塑性配合:400MPa級(jí)別三種鋼筋的靜態(tài)拉伸力學(xué)性能指標(biāo)相似,且都達(dá)到國標(biāo)GB1499-2007所規(guī)定的抗震要求

6、既σb/σs≥1.25,σs實(shí)際/σs標(biāo)準(zhǔn)≤1.30,δgt≥9%。
　　500MPa鋼筋總體呈現(xiàn)較差的綜合抗震性能。其中500QST應(yīng)變時(shí)效后幾乎測不出均勻延伸率,焊接后強(qiáng)度降到400MPa級(jí)別,除了沖擊韌性較高,其余抗震指標(biāo)都要低于500VN。
　　重點(diǎn)研究了綜合抗震性能中最重要的指標(biāo)高應(yīng)變低周疲勞,采用正態(tài)分布與對數(shù)正態(tài)分布函數(shù),威布爾雙參數(shù)概率函數(shù)以及t分布函數(shù)等多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,對所測得的低周疲勞壽命進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理

7、與分析,發(fā)現(xiàn)Weibull最佳線性不變估計(jì)是最為可靠和安全的。對比了局部應(yīng)力應(yīng)變法,總塑性變形能量法,盛的能量法,以及基于疲勞總壽命預(yù)測的四點(diǎn)法,通用斜率法,SWT法等低周疲勞壽命預(yù)估模型,在此基礎(chǔ)上提出一種新的模型-循環(huán)韌度,其表達(dá)式為:n+1KBNé(2)b95+CN(2)c95ùn=D=/2seatE。此模型用來評(píng)估鋼筋的抗震能力較為準(zhǔn)確且可靠性高,具有很好的參考性。同時(shí)用微觀組織結(jié)構(gòu)演變過程證明了循環(huán)韌度模型的正確性,疲勞斷裂后

8、的400VN鋼筋擁有較小的位錯(cuò)胞(500nm)和較厚的胞壁而承受了較大的循環(huán)應(yīng)變以及應(yīng)力幅,因此其循環(huán)韌度值最高。
　　由于V微合金化鋼筋具有優(yōu)良的綜合抗震性能,我們研究了400MPa級(jí)別的VFe(0.076V-0.0055N)和VN(0.04V-0.0135N)兩種鋼筋的納米第二相析出熱動(dòng)力學(xué)。采用應(yīng)力松弛法和回火硬度法,根據(jù)J-M-A(Johnson-Mehl-Avrami)理論分別定量計(jì)算了V(C,N)在奧氏體和鐵素體中的析

9、出熱動(dòng)力學(xué),并與實(shí)驗(yàn)所測PTT(Precipitation–Time–Temperature)曲線進(jìn)行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)VN鋼筋可以在鐵素體中析出大量納米化V(C,N)顆粒。而在高溫時(shí)其PTT曲線成“C”型,且50%變形量下,870℃時(shí)析出最快。彌散納米化的第二相質(zhì)點(diǎn)V(C,N)強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)分布在晶體平面上,形成了分布較為均勻的平行位錯(cuò)滑移線束,這將減少或避免疲勞損傷局部化,使得疲勞裂紋不易萌生,提高了疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。