三种建筑钢筋材料高应变率下拉伸力学性能研究

s (t ) C0 / ls [ i (t ) r (t ) t (t )]
(3)
其中：A 为输入杆和输出杆横截面面积；As 和 ls 分 别表示试件试验段的横截面面积和长度； C0 为波在 杆中的传播速度；E 为波导杆的弹性模量； i (t ) 、
r (t ) 和 t (t ) 分别为入射波、反射波和透射波。
试验基于以下两个假设[10]：1) 平截面假设； 2) 试件中应力沿轴向均匀性假设。 因此旋转盘冲击 拉伸试验装置本质上是一维的且波导杆都处于弹 性状态。根据一维应力波理论，可以得到试件中的 应力、应变和应变率[10]分别为：
s (t ) EA / 2 As [ i (t ) r (t ) t (t )]
第 33 卷第 7 期 2016 年 7 月
Vol.33 No.7 July 2016
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ENGINEERING MECHANICS
文章编号：1000-4750(2016)07-0184-06
三种建筑钢筋材料高应变率下拉伸力学性能研究
黄晓莹，陶俊林
(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川，绵阳 621010)
系统可以获得相应的波形数据(图 4 为典型原始波 形图)，根据三波法式(1)~式(3)并采用 Origin7.5 软 件对原始波形数据进行处理，进而得到每个试件的 真实应力-真实应变曲线。
(a) HPB235-6( =822s1)
(b) HRB335-6( =820 s1) 图 4 3 种钢筋材料典型原始波形图 Fig.4 The original waveform of the steel bar
s (t ) C0 / ls [ i (t ) r (t ) t (t )]dt
0 t
(1) (2)
Fig.3
图 3 冲击拉伸试件 Impact tensile specimens
M10-6g
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采用旋转盘冲击拉伸试验系统对 HPB235 、 HRB335 和 HRB400 分别进行 3 种应变率下的动态 拉伸试验。试验过程完全按照中国工程物理研究院 总体工程研究所相应规范进行操作。通过数据采集
0.05
1 试验原理与方法
1.1 冲击拉伸试验原理 动态拉伸试验是在中国工程物理研究院总体 工程研究所的旋转盘冲击拉伸试验装置上完成的， 其实验装置原理如图 1 所示，试验装置见图 2。
P 0.018 0.032 0.022
M10-6g
R1 .5
图 1 旋转盘冲击拉伸实验装置原理图 Fig.1 Schematic diagram of rotating disk impact tensile test system
Abstract:
Reinforced concrete structure usually suffers static load, but it will probably suffer dynamic load in
terrorist attacks, explosion of gas pipeline, and other special circumstances. Therefore, research on the construction steel bars is important for researching the dynamic mechanical response of the reinforced concrete structure. In this paper, the experimental study of dynamic tensile mechanical properties of three commonly used construction steel bars (HPB235, HRB335 and HRB400) was carried out within the strain rates of 400 s1~ 2000 s1, using rotating disk impact tensile test system. According to the experimental data, the influence of strain rate on the yield strength was analyzed and the original Johnson-Cook constitutive model was modified. The suitable Johnson-Cook constitutive model parameters were derived to describe the stress-strain curve of three steel bars. The research results show that: the yield stress of three kinds of construction steel bars increases with the increase of strain rate; the construction steel bar with low static yield stress is more strain rate-sensitive than that with high static yield stress; the modified Johnson-Cook Constitutive model is suitable for describing the stress-strain relationship of three steel bars. Key words: construction steel bar; high strain rate; tensile; Johnson-Cook constitutive model; yield stress 一般来说，钢筋混凝土结构承受的载荷为静态 或者准静态载荷。 而在一些特殊情况下， 例如爆炸、
燃气管道爆炸、汽车或炮弹冲击等，钢筋混凝土结 构不可避免地要受到动态或冲击载荷的作用，这样
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的载荷作用在结构上会在材料中引起较高的应变 率，混凝土结构中的钢筋也会产生较高的应变率效 应。大量实验表明，金属材料在动态载荷作用下， 其力学性能与静态或准静态时是有很大区别的。 我国现有房屋所使用的建筑钢筋主要有 HPB235、HRB335 和 HRB400。目前，针对这 3 种 钢筋的研究涉及的方面有屈服强度[1]、抗拉强度、 伸长率[2]、 疲劳[3]、 弹性模量[4]和化学元素对钢筋强 度的影响[5]等，这些都属于准静态的范畴。李敏[6]、 林峰 [7]等也分别研究过这 3 种钢筋的动态力学性 能 ， 但 他 们 涉 及 的 应 变 率 范 围 只 在 0.0025 s1~ 80 s1， 其最高应变率偏低， 达不到爆炸冲击载荷的 要求。对于冲击拉伸试验，陈韬、李庆斌[8]等研究 过霍普金森拉杆装置螺纹过渡段变形的影响；邓高 涛、王焕然[9]等研究过钢板材料动态拉伸的本构方 程以及试件尺度效应。 目前尚未有其他公开报道建筑钢筋动态力学 性能的文献资料。为此，本文对我国目前现有建筑 中使用的 3 种常用建筑钢筋在 400 s1~2000 s1 应变 率范围的拉伸力学性能进行试验研究，研究高应变 率对 3 种钢筋力学性能的影响。
图 2 旋转盘冲击拉伸实验装置 Fig.2 The rotating disk impact tensile test system
1.2 试件制作与试验过程 本试验采用的材料为 3 种常用建筑钢筋 (HPB235、HRB335、HRB400)。本文将同一批 Φ16 的热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋加工成圆柱哑铃 状试件，试件尺寸见图 3。总共进行了 3 个应变率 的试验，每种工况准备 4 个试件，共计 36 个试件， 3 种钢筋材料除了 Fe 以外的主要微量化学元素成分 见表 1。
表 1 3 种建筑钢筋主要微量化学元素成分 Table 1 The trace elements content of three steel bars
钢筋牌号 HPB235 HRB335 HRB400 微量化学元素/(%) C 0.160 0.230 0.210 Si 0.150 0.330 0.430 Mn 0.470 0.800 1.260 S 0.028 0.038 0.022
0.08
材料先经过弹性阶段接着向屈服阶段转变，曲线上 出现了上下两个明显且相差较大的屈服点；屈服段 的应变范围大小不一， 应力值呈现上下波动； 随后， 应力-应变曲线显示流变应力随着应变的不断增加 而缓慢地增加，材料进入强化阶段。对比准静态拉 伸应力-应变曲线，3 种钢筋材料表现出不同程度的 应变率强化效应。
电压/V
Байду номын сангаас
(c) HRB400-6( =820 s1)
2 试验结果分析
2.1 真实应力-真实应变曲线 图 5 为 3 种钢筋典型的应变-时间曲线， 平均应 变率的取值为该曲线中部斜直线段的斜率。图 6 分 别为 3 种常用建筑钢筋在不同应变率下的真实应 力-真实应变曲线。 可以看出， 随着应变的快速增加，
0.04 HPB235-6 822 s 1 0.0000 0.0001 时间/s 0.0002
0.00
应变
图 5 应变-时间曲线 Fig.5 Strain and time curve
注：曲线端部○符号表示试件未断，×符号表示试件断裂
图 6 真实应力-真实应变曲线 Fig.6 True stress and true strain curve
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收稿日期：2014-12-19；修改日期：2015-03-30 基金项目：国防基础科研项目(B3120110004) 通讯作者：陶俊林(1972―)，男，四川人，教授，博士，主要从材料和结构力学行为研究(E-mail: junlintao@126.com). 作者简介：黄晓莹(1988―)，女，四川人，硕士生，主要从事建筑材料力学行为研究(E-mail: 87166751@qq.com).
TENSILE MECHANICAL PROPERTIES RESEARCH OF THREE CONSTRUCTION STEEL BARS IN HIGH STRAIN RATE
HUANG Xiao-ying , TAO Jun-lin
(School of Civi Engineering and Architechture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, China)
摘
要：钢筋混凝土结构除承受静载荷外，在恐怖袭击、燃气管道爆炸等特殊情况下还会承受动态载荷的作用，
因此，研究其组成材料之一的钢筋材料在动态载荷作用下的力学性能，对于研究钢筋混凝土结构整体在动态载荷 作用下的力学响应有重要意义。该文首先利用旋转盘冲击拉伸试验系统对 3 种常用建筑钢筋材料 (HPB235 、 HRB335 和 HRB400)在 400 s1~2000 s1 应变率范围内的动态拉伸力学性能进行试验研究，然后根据试验数据，分 析应变率对屈服强度的影响规律， 并对常用的 Johnson-Cook 本构模型进行修正， 以获得可以更好描述这 3 种钢筋 材料动态拉伸应力-应变关系的本构模型及相关的材料参数。研究结果表明：3 种钢筋材料的屈服应力均随应变率 的增大而增大，而静载屈服应力越低的钢筋对应变率越敏感；修正后的 Johnson-Cook 本构模型能较好地描述 3 种钢筋材料的动态拉伸应力-应变关系。 关键词：建筑钢筋；高应变率；拉伸；Johnson-Cook 本构模型；屈服应力 中图分类号：TU511.32 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1064