于跟社 鄧宗才 黃 松 王 玨

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075； 2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京 100124；3.中交第三公路工程局有限公司， 北京 101304)

歐美國(guó)家500 MPa級(jí)鋼筋用量95%以上。我國(guó)建筑年用鋼1億多噸，如果用HRB500E和HRB600E鋼筋代替HRB335、HRB400鋼筋，能明顯減少鋼筋用量。高強(qiáng)度鋼筋應(yīng)用于超高層和大跨度巨型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能解決低強(qiáng)度鋼筋過(guò)密、混凝土難密實(shí)、抗震承載力低等問(wèn)題。高強(qiáng)鋼筋顯著提高了高層、橋梁等重要結(jié)構(gòu)的承載力、抗震安全性和耐久性；同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量，降低造價(jià)，方便施工，確保工程質(zhì)量。研究推廣高強(qiáng)鋼筋，符合綠色建筑理念，對(duì)提高安全性、耐久性具有重要意義，有效推動(dòng)節(jié)材、節(jié)能、減排。

橋梁工程在運(yùn)營(yíng)期間屬于高周期應(yīng)力疲勞問(wèn)題，而橋梁的抗震設(shè)計(jì)屬于低周期應(yīng)變疲勞問(wèn)題。從橋梁和道面工程抵抗高周疲勞的角度，迫切需要研究高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)力疲勞問(wèn)題，給出容許應(yīng)力幅值和疲勞設(shè)計(jì)方程，為高強(qiáng)鋼筋應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

從結(jié)構(gòu)抗震的角度，迫切需要研究高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)變疲勞問(wèn)題，為抗震設(shè)計(jì)和選用鋼筋提供依據(jù)。地震災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失是最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害。在唐山地震、汶川“5.12”地震之后，抗震減災(zāi)引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。特別是學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、橋梁、供水供電等重要工程的抗震安全性尤為重要。減輕地震災(zāi)害損失的有效方法是提高結(jié)構(gòu)抗震能力。提高結(jié)構(gòu)抗震能力的途徑包括選用合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)和選用抗震能力強(qiáng)的建筑材料等。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從材料的角度，提高鋼筋強(qiáng)度和延性，改善混凝土變形能力，有利于提高結(jié)構(gòu)抗震性能。研發(fā)高強(qiáng)鋼筋時(shí)，不但要關(guān)注高強(qiáng)度，而且要提高其延性。只有變形能力強(qiáng)和滯回特性良好的鋼筋，才能吸收更多的地震能量，盡可能降低地震對(duì)建筑物造成的影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土開(kāi)裂后，結(jié)構(gòu)的變形能力主要依靠鋼筋的屈服變形。鋼筋抵抗低周反復(fù)荷載的能力直接決定著結(jié)構(gòu)的抗震耗能和可恢復(fù)變形能力。當(dāng)鋼筋變形能力不夠，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致橋梁和高層建筑結(jié)構(gòu)倒塌的嚴(yán)重破壞模式。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震荷載下發(fā)生破壞的過(guò)程就是鋼筋、混凝土發(fā)生疲勞破壞，特別是鋼筋在低周反復(fù)荷載下的應(yīng)變疲勞破壞。因此研究鋼筋在低周反復(fù)荷載下的破壞特征和疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)非常重要。

采用高強(qiáng)鋼筋，可以使得結(jié)構(gòu)具有一定的冗余度，鋼筋在地震過(guò)程中一直起到約束混凝土的作用，在較大地震荷載下，鋼筋屈服吸收地震能量，并且具有一定的可恢復(fù)變形能力，提高結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。

但是目前我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]等均沒(méi)有給出高強(qiáng)鋼筋的疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)，包括不同應(yīng)力比下的容許應(yīng)力幅值、不同應(yīng)力比下的疲勞設(shè)計(jì)方程、高強(qiáng)度鋼筋200萬(wàn)次對(duì)應(yīng)的疲勞極限值以及高強(qiáng)鋼筋應(yīng)變疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)等。

目前，與抗震有關(guān)的高強(qiáng)鋼筋應(yīng)變疲勞特性、應(yīng)力疲勞特性和疲勞設(shè)計(jì)模型鮮有報(bào)道，嚴(yán)重制約了高強(qiáng)鋼筋的合理使用。

文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了直徑20 mm的HRB500級(jí)余熱處理鋼筋和釩氮微合金化熱軋帶肋鋼筋的高應(yīng)變低周疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明：與余熱處理的500級(jí)鋼筋比較，500級(jí)釩氮鋼筋疲勞壽命提高，循環(huán)韌度比增加16%。文獻(xiàn)[4]通過(guò)恒應(yīng)變幅低周疲勞試驗(yàn)，研究630 MPa高強(qiáng)鋼筋的疲勞壽命、應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線、疲勞性能等參數(shù)，建立了疲勞壽命預(yù)測(cè)式。文獻(xiàn)[5]考慮鋼筋屈曲對(duì)循環(huán)性能的影響，分析局部應(yīng)變與平均應(yīng)變差別，對(duì)疲勞損傷指數(shù)計(jì)算值的誤差進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)建立了考慮屈曲效應(yīng)影響的低周疲勞損傷模型。目前，與抗震有關(guān)的超高強(qiáng)、高強(qiáng)鋼筋應(yīng)變、應(yīng)力疲勞特性和疲勞設(shè)計(jì)方法的研究鮮有報(bào)道，嚴(yán)重制約高強(qiáng)鋼筋的合理使用。

通過(guò)試驗(yàn)研究高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)力與應(yīng)變疲勞特性，比較高強(qiáng)鋼筋與HRB400級(jí)鋼筋疲勞特性的差異，可其為工程應(yīng)用提供參考。

1 高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)力疲勞性能和疲勞設(shè)計(jì)方法

1.1 高強(qiáng)度鋼筋拉伸基本力學(xué)性能

為掌握HRB500E級(jí)高強(qiáng)鋼筋的材料性能，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分 室溫試驗(yàn)》[6]進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。把鋼筋原材加工為標(biāo)準(zhǔn)件，抽取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。HRB500E鋼筋典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1，拉伸性能力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 HRB500E鋼筋單調(diào)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Monotonic tensile test data of HRB500E steel bars

a—直徑10 mm； b—直徑16 mm。圖1 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 The stress-strain curve of reinforced bars

對(duì)鋼筋HTRB630E(簡(jiǎn)稱(chēng)“T63E”)進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。按照GB/T 228.1—2010方法，先把鋼筋原材加工為標(biāo)準(zhǔn)件，抽取2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖2，拉伸力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖2 T63E級(jí)鋼筋單調(diào)靜拉曲線Fig.2 The monotonic static tension curve of T63E steel bars

表2 T63E級(jí)鋼筋靜拉參數(shù)結(jié)果Table 2 Results of static tensile parameters of T63E steel bars

1.2 高周應(yīng)力疲勞性能和容許應(yīng)力值

1.2.1HRB500E應(yīng)力疲勞性能和容許應(yīng)力值

按照GB/T 2890—2012《鋼筋混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》[7]，對(duì)HRB500E級(jí)鋼筋進(jìn)行應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，研究疲勞應(yīng)力幅對(duì)疲勞壽命的影響，確定200萬(wàn)次疲勞循環(huán)不發(fā)生破壞的容許應(yīng)力幅值。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力循環(huán)的最大值為0.6倍的鋼筋強(qiáng)度特征值。HRB500鋼筋直徑分別為10,32 mm時(shí)，測(cè)得其容許應(yīng)力幅見(jiàn)表3。

表3 HRB500E鋼筋容許疲勞應(yīng)力幅值試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of allowable fatigue stress amplitudes of HRB500E steel bars

可見(jiàn)，HRB500E鋼筋直徑由10 mm變?yōu)?2 mm時(shí)，其應(yīng)力疲勞200萬(wàn)次不發(fā)生疲勞破壞的容許應(yīng)力幅分別不小于175,145 MPa。

鋼筋直徑由10 mm變?yōu)?2 mm時(shí)，直徑增加，鋼筋容許應(yīng)力幅變小。這是由于直徑32 mm鋼筋表面肋高變形大于直徑10 mm的鋼筋。鋼筋表面肋高變化越大，其疲勞容許應(yīng)力值越小。表面肋高變形越大，越容易形成疲勞應(yīng)力集中。GB/T 28900—2012[7]中以28 mm直徑為界限，小于28 mm采用相同疲勞容許應(yīng)力幅，該規(guī)定對(duì)于高強(qiáng)度鋼筋是可行的。

1.2.2HRB600E應(yīng)力疲勞性能和容許應(yīng)力值

為確定HRB600E鋼筋的容許疲勞應(yīng)力幅值，按照GB/T 28900—2012，對(duì)直徑分別為10,25 mm的HRB600E鋼筋進(jìn)行了應(yīng)力疲勞加載試驗(yàn)，測(cè)定不發(fā)生疲勞破壞的疲勞應(yīng)力幅值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，直徑10,25 mm的HRB600E鋼筋的容許應(yīng)力幅均不小于175 MPa。

表4 HRB600E鋼筋的應(yīng)力疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Stress fatigue test results of HRB600E steel bars

2 應(yīng)變疲勞性能和設(shè)計(jì)方法

2.1 HRB500E的應(yīng)變疲勞性能和疲勞算式

按照GB/T 28900—2012、GB/T 228.1—2010中要求把鋼筋原材加工為標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)HRB500E鋼材標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行拉壓等幅低周疲勞性能試驗(yàn)。本次疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制的等應(yīng)變幅值循環(huán)拉-壓加載制度，對(duì)于低釩-高氮鋼筋和高釩-氮-鈮兩種鋼筋的應(yīng)變疲勞試驗(yàn)分別設(shè)置5組，每組3個(gè)試件。5組試件的應(yīng)變加載幅值Δεt依次為0.4%、0.6%、0.8%、1.5%、3.0%。試件加載均在MTS加載系統(tǒng)上完成，為減小加載速率對(duì)測(cè)量造成的誤差，試件的加載頻率為0.05～0.375 Hz。

對(duì)直徑為25 mm的釩-氮細(xì)晶粒和釩-氮-鈮細(xì)晶粒鋼筋HRB500E鋼筋分別進(jìn)行了應(yīng)變疲勞性能試驗(yàn)研究。低釩-高氮鋼筋和高釩-氮-鈮鋼筋高應(yīng)變低周疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 低釩-高氮鋼筋和高釩-氮-鈮鋼筋高應(yīng)變低周疲勞壽命Table 5 Low cycle fatigue life of low V and high N steel bars and high V-N-Nb steel bars under high strain

對(duì)表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出Coffin-Manson公式和Hollomon公式。低釩-高氮HRB500鋼筋的Coffin-Manson和Hollomon公式如下：

0.788 9(2Nf)-0.643 7

(1)

(2)

式中：Δσα為疲勞應(yīng)變幅5%時(shí)的應(yīng)力幅；εp為塑性應(yīng)變。

高釩-氮-鈮的HRB500E鋼筋的Coffin-Manso和Hollomon公式如下：

(3)

(4)

Coffin-Manson經(jīng)典疲勞理論認(rèn)為，鋼筋應(yīng)變疲勞性能主要取決于其塑性變形能力，即塑性變形能力起決定性作用。

綜合考慮強(qiáng)度和應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)抗震耗能的影響，用“循環(huán)韌度”值表征鋼筋的抗震滯回性能。循環(huán)韌度是拉-壓循環(huán)100次時(shí)應(yīng)力幅與對(duì)應(yīng)應(yīng)變幅的乘積[8]。即結(jié)構(gòu)抗震不但與鋼筋在疲勞荷載下的塑性變形能力有關(guān)，而且與鋼筋強(qiáng)度有關(guān)。

根據(jù)兩種細(xì)晶粒鋼筋的應(yīng)變疲勞試驗(yàn)循環(huán)曲線，按照式(5)計(jì)算得到代表鋼筋抗震性能主要指標(biāo)的循環(huán)韌度值K，見(jiàn)表6。

表6 兩種HRB500E鋼筋的循環(huán)韌度試驗(yàn)值Table 6 Cyclic toughness test values of two HRB500E steel bars

K=Δεt×σα

(5)

式中：σα是疲勞應(yīng)變幅5%時(shí)的穩(wěn)定應(yīng)力幅值。

從表6可看出，低釩-高氮鋼筋的循環(huán)韌度值最高。以低釩-高氮鋼筋的循環(huán)韌度值為基準(zhǔn)，則高釩-氮-鈮鋼筋循環(huán)韌度的相對(duì)值為83.9%。即采用釩-氮微合金化工藝生產(chǎn)的鋼筋，高應(yīng)變低周疲勞壽命和循環(huán)韌度均優(yōu)于高釩-氮-鈮方法生產(chǎn)的鋼筋。

一般300～400 MPa等級(jí)鋼筋穩(wěn)定應(yīng)力幅值是500～600 MPa[8]，而HRB500E鋼筋的σα明顯提高，約為751～789 MPa。

鋼筋疲勞100次時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅與總應(yīng)變幅的乘積稱(chēng)為循環(huán)韌度。循環(huán)韌度越大，鋼筋的耗能能力越高，抗震能力越強(qiáng)[9]。循環(huán)韌度不但與應(yīng)變有關(guān)，而且與應(yīng)力幅值有關(guān)。

2.2 T63E鋼筋應(yīng)變疲勞性能和設(shè)計(jì)方法

文獻(xiàn)[10]按照GB/T 228.1—2010方法，把T63E鋼筋原材加工為標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行應(yīng)變疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制的等應(yīng)變幅值循環(huán)拉-壓加載制度。T63E鋼筋的應(yīng)變疲勞試驗(yàn)共設(shè)置6組，每組2個(gè)試件。6組試件的總應(yīng)變幅值依次為1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%和2.0%。試件加載均在MTS加載系統(tǒng)上完成，所有試件的加載頻率均為0.125 Hz。

T63E鋼筋應(yīng)變疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，表中T1.0-1代表T63E鋼筋應(yīng)變幅1.0%的第1個(gè)試件。

基于Coffin-Manson模型，考慮疲勞中強(qiáng)度退化效應(yīng)，用式(6)分析T63E鋼筋的疲勞損傷特性。

式中：εt為應(yīng)變幅值；εp為塑性應(yīng)變；σt為應(yīng)力幅值；Es為鋼筋彈性模量；φSR為強(qiáng)度損失系數(shù)；即平均每半個(gè)加載周期材料強(qiáng)度退化值與初始應(yīng)力峰值的比值；Cf為疲勞破壞參數(shù)；Cd為強(qiáng)度退化參數(shù)；α為疲勞破壞指數(shù)；Nf為疲勞周期數(shù)。

εt/2為總應(yīng)變幅值，疲勞周期數(shù)Nf(或半周期數(shù)2Nf)、從第2周期算起統(tǒng)計(jì)各種拉壓應(yīng)力峰值，塑性應(yīng)變?chǔ)舙等參數(shù)由式(7)計(jì)算得出。

據(jù)表7數(shù)據(jù)，對(duì)三參數(shù)計(jì)算式進(jìn)行擬合，得到Cf=0.259，Cd=0.961，α=0.447。

表7 T63E鋼筋應(yīng)變疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]Table 7 Strain fatigue test data for T63E steel bars

疲勞試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試件拉斷，則結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中記錄軸向力、軸向位移、周期數(shù)及引伸計(jì)應(yīng)變值。將典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪于圖3，其中圖例說(shuō)明以1.0-1-N=231為例，表示應(yīng)變?yōu)椤?.0%的試件1，其疲勞周期為231次。試件破壞斷口不均勻，疲勞斷裂屬于脆性斷裂。在恒幅對(duì)稱(chēng)應(yīng)變循環(huán)試驗(yàn)中，連續(xù)監(jiān)測(cè)T63E級(jí)高強(qiáng)度鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)滯回環(huán)。

a—應(yīng)變幅值±1.0%； b—應(yīng)變幅值±1.6%； c—應(yīng)變幅值±2.0%。圖3 T63E等幅低周疲勞應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線[10]Fig.3 Stress-strain curves of constant amplitude an low cycle fatigue tests of T63E steel bars[10]

從圖3的等應(yīng)變幅疲勞拉壓循環(huán)曲線上看，不同應(yīng)變幅下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大致相同，并且每組試件下疲勞壽命相差幾個(gè)周期，疲勞周期壽命誤差較小，T63E級(jí)低周疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可靠度高。

2.3 T63E應(yīng)變疲勞拉-壓滯回環(huán)特征分析

圖3所示的T63E鋼筋拉壓疲勞應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)，反映了鋼筋在循環(huán)荷載作用下實(shí)際應(yīng)力、應(yīng)變的連續(xù)變化情況，稱(chēng)為拉壓滯回環(huán)，可以看出：

1)σ-ε響應(yīng)隨循環(huán)次數(shù)而改變。圖3所示T63E高強(qiáng)度鋼筋的σ-ε響應(yīng)是在恒幅對(duì)稱(chēng)應(yīng)變循環(huán)下測(cè)得的。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，同樣的應(yīng)變幅下，應(yīng)力幅略有增加。與常見(jiàn)的HRB335和HRB400鋼筋比較后發(fā)現(xiàn)，T63E高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)力幅增加幅度稍有減小。

2)圖3所示的T63E高強(qiáng)度鋼筋，較快形成穩(wěn)定滯后環(huán)。而HRB335和HRB400級(jí)鋼筋，一般循環(huán)次數(shù)N為100次左右，才形成穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)[8]。

3)T63E有循環(huán)硬化。在應(yīng)變幅εa不變的對(duì)稱(chēng)循環(huán)下，隨著循環(huán)次數(shù)N的增加，應(yīng)力幅σa不斷增大的現(xiàn)象，稱(chēng)為循環(huán)硬化。圖3所示的T63E高強(qiáng)度鋼筋是循環(huán)硬化的。但是循環(huán)硬化稍微低于HRB400級(jí)鋼筋的硬化。反之，若隨著循環(huán)次數(shù)N的增加，應(yīng)力幅σa不斷減小，則稱(chēng)為循環(huán)軟化。T63E高強(qiáng)度鋼筋是循環(huán)硬化的，未發(fā)現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象。

4)耗能韌度。疲勞過(guò)程中耗散的總能量，應(yīng)該是疲勞滯回環(huán)的面積總和。應(yīng)變能密度表征了材料吸收能量的能力，本文用鋼筋疲勞壽命周期內(nèi)全部滯回環(huán)下總面積(疲勞破壞全過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線下覆蓋的面積)來(lái)量度鋼筋耗能能力，并稱(chēng)其為耗能韌度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

3 T63E高強(qiáng)鋼筋與HRB400鋼筋應(yīng)變疲勞特性與疲勞參數(shù)的比較

為比較高強(qiáng)度T63E鋼筋與HRB400鋼筋的抗震性能(應(yīng)變疲勞特性)，對(duì)文獻(xiàn)[11]HRB400鋼筋應(yīng)變疲勞中拉-壓滯回環(huán)、疲勞等進(jìn)行參數(shù)分析。

3.1 HRB400鋼筋的應(yīng)變疲勞性能

文獻(xiàn)[11]先對(duì)HRB400鋼筋進(jìn)行了單調(diào)拉伸試驗(yàn)，測(cè)得屈服強(qiáng)度為451.97 MPa,彈性模量為19.78 GPa,峰值應(yīng)力為638.9 MPa，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?3.39%，屈服應(yīng)變?yōu)?.23%。對(duì)于HRB400鋼筋的應(yīng)變疲勞試驗(yàn)總共設(shè)置5組，每組2個(gè)試件。5組試件的應(yīng)變加載幅值依次為±1.0%、±1.2%、±1.4%、±1.6%、±1.8%、±2.0%、±2.2%。試件加載均在MTS加載系統(tǒng)上完成。根據(jù)文獻(xiàn)[11]等幅應(yīng)變疲勞試驗(yàn)測(cè)得滯回曲線，計(jì)算得到的HRB400鋼筋總耗能韌度值見(jiàn)表8。

表8 HRB400鋼筋疲勞總耗能韌度Table 8 Total fatigue energy dissipation toughness of HRB400 steel bars

比較表7、8中耗能韌度，可見(jiàn)：應(yīng)變幅較小時(shí)，單周循環(huán)耗能韌度較小，但由于疲勞周次增加，總的耗能韌度較大，也就說(shuō)鋼筋在較小的應(yīng)變幅下，抗震能力強(qiáng)。當(dāng)疲勞應(yīng)變幅增大時(shí)，單周循環(huán)耗能韌度較大，但是，疲勞壽命較短，總的耗能韌度較小。高強(qiáng)鋼筋T63E的耗能韌度明顯高于HRB400鋼筋。

3.2 HRB400與T63E鋼筋應(yīng)變疲勞特性的比較

3.2.1應(yīng)變疲勞壽命比較

比較表7的T63E鋼筋與表8中HRB400級(jí)鋼筋等幅應(yīng)變疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可知：

1)相同的應(yīng)變幅值，T63E級(jí)高強(qiáng)鋼筋疲勞壽命比HRB400鋼筋更長(zhǎng)。應(yīng)變幅±1%時(shí)，前者疲勞壽命是后者的1.8倍；應(yīng)變幅±1.2%～±2.0%時(shí)，高強(qiáng)度應(yīng)變T63E級(jí)疲勞壽命成倍數(shù)增加，說(shuō)明提高鋼筋材料強(qiáng)度對(duì)改善低周疲勞壽命有較大貢獻(xiàn)。

2)等幅低周疲勞試驗(yàn)可以準(zhǔn)確反映高強(qiáng)T63E和HRB400級(jí)鋼筋疲勞性能。隨著應(yīng)變控制值增大，脆性增加，疲勞壽命下降較快。

3.2.2總應(yīng)變幅值與強(qiáng)度損失系數(shù)的比較

圖4為T(mén)63E、HRB400級(jí)鋼筋總應(yīng)變幅值Δεt與強(qiáng)度損失系數(shù)φSR的關(guān)系。

圖4 總應(yīng)變幅值與強(qiáng)度損失系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relations between total strain amplitudes and strength loss coefficients

由圖4可知：總應(yīng)變幅小于2.72%時(shí)，隨應(yīng)變幅增大，T63E鋼筋的強(qiáng)度損失系數(shù)大于HRB400鋼筋。但是當(dāng)總應(yīng)變幅大于2.72%時(shí)，HRB400鋼筋的強(qiáng)度損失系數(shù)大于T63E鋼筋，即大應(yīng)變下HRB400鋼筋的強(qiáng)度損失系數(shù)較大?？倯?yīng)變幅值與強(qiáng)度損失系數(shù)的關(guān)系式為:

φSR=0.004 936(Δεt)2.277 96(T63E)

(8a)

φSR=0.016 55(Δεt)3.285 94(HRB400)

(8b)

3.2.3總應(yīng)變幅值與塑性應(yīng)變范圍比較

圖5為T(mén)63E、HRB400鋼筋塑性應(yīng)變范圍與總應(yīng)變幅值的關(guān)系?？梢?jiàn)，疲勞過(guò)程中鋼筋隨總應(yīng)變幅的增加，塑性應(yīng)變?cè)龃?，塑性?yīng)變與總應(yīng)變幅為線性關(guān)系。整個(gè)應(yīng)變疲勞中T63E塑性應(yīng)變值大于HRB400鋼筋。擬合后得到的塑性應(yīng)變范圍與總應(yīng)變幅值關(guān)系式為：

圖5 塑性應(yīng)變范圍與總應(yīng)變幅值的關(guān)系Fig.5 Relations between plastic strain ranges and total strain amplitudes

εp=1.032 47Δεt-0.130 28 (T63E)

(9a)

εp=0.945 89Δεt-0.35 (HRB400)

(9b)

3.2.4疲勞破壞半周期數(shù)與強(qiáng)度損失系數(shù)關(guān)系

圖6為T(mén)63E、HRB400鋼筋強(qiáng)度損失系數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系?？梢?jiàn)，HRB400鋼筋強(qiáng)度損失系數(shù)隨疲勞破壞半周期2Nf的增加，初始階段衰減較快。2Nf大于116次時(shí)，強(qiáng)度損失系數(shù)降低變慢。T63E鋼筋，當(dāng)2Nf小于188次時(shí)，強(qiáng)度損失系數(shù)降低較快，但是衰減速率小于HRB400鋼筋。當(dāng)2Nf大于188次后，其強(qiáng)度損失系數(shù)衰減變慢，即疲勞加載在大應(yīng)變幅時(shí)，疲勞加載對(duì)于強(qiáng)度損失系數(shù)影響較大，強(qiáng)度損失發(fā)生在較大的疲勞應(yīng)變循環(huán)過(guò)程中。反之，疲勞加載在小應(yīng)變幅時(shí)，疲勞加載對(duì)于強(qiáng)度損失系數(shù)影響很小。強(qiáng)度損失系數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系為：

圖6 疲勞破壞半周期數(shù)與強(qiáng)度損失系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relations between half cycles of fatigue failure and strength loss factors

φSR=0.092 62(2Nf)-0.988 8(T63E)

(10a)

φSR=0.114 58(2Nf)-1.172 84(HRB400)

(10b)

3.2.5疲勞破壞半周期數(shù)與塑性應(yīng)變范圍關(guān)系

圖7為T(mén)63E、HRB400鋼筋塑性應(yīng)變范圍與疲勞壽命關(guān)系。可見(jiàn)相同疲勞壽命時(shí)，T63E鋼筋的塑性應(yīng)變值大于HRB400鋼筋。

圖7 疲勞破壞半周期數(shù)與塑性應(yīng)變范圍的關(guān)系Fig.7 Relations between half cycles of fatigue failure and plastic strain ranges

3.3 T63E與HRB400耗能韌度比較

T63E高強(qiáng)鋼筋與HRB400鋼筋耗能韌度的比較見(jiàn)表9。由表9可知，總應(yīng)變幅值在±1.0%～±1.4%時(shí)T63E高強(qiáng)鋼筋的單周耗能韌度比HRB400鋼筋提高了15%～23%，T63E高強(qiáng)鋼筋總耗能韌度比HRB400鋼筋提高了80%～110%；總應(yīng)變幅值在±1.6%～±2.0%時(shí)T63E高強(qiáng)鋼筋的單周耗能韌度比HRB400鋼筋提高了32%～43%，T63E高強(qiáng)鋼筋總耗能韌度比HRB400鋼筋提高了165%～210%。反映出T63E高強(qiáng)鋼筋比HRB400鋼筋具有更好的抗震性能和耗能能力；也說(shuō)明鋼筋耗能能力和抗震韌性不但與鋼筋應(yīng)變有關(guān)，而且與鋼筋強(qiáng)度關(guān)系密切。這一點(diǎn)不同于傳統(tǒng)Coffin-Manson和Hollomon疲勞破壞模型。

表9 總耗能韌度的比較Table 9 Comparisons of total energy dissipation toughness

T63E、HRB400鋼筋的疲勞參數(shù)見(jiàn)表10。可見(jiàn)，T63E的3個(gè)參數(shù)：疲勞破壞參數(shù)Cf、強(qiáng)度退化參數(shù)Cd和破壞指數(shù)α均高于HRB400鋼筋。

表10 T63E、HRB400鋼筋疲勞參數(shù)Table 10 Fatigue parameters of T63E and HRB400 steel bars

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)T63E、HRB600E、HRB500E與HRB400鋼筋的對(duì)比性疲勞試驗(yàn)與理論分析，獲得以下主要結(jié)論：

1)通過(guò)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)獲得了T63E、HRB500E經(jīng)歷200萬(wàn)次不發(fā)生疲勞破壞的容許應(yīng)力幅。HRB500E鋼筋直徑由10 mm變?yōu)?2 mm時(shí)，其應(yīng)力疲勞200萬(wàn)次不發(fā)生疲勞破壞的容許應(yīng)力幅分別不小于175,145 MPa。直徑10,25 mm的HRB600E鋼筋容許應(yīng)力幅均不小于175 MPa。

2)據(jù)T63E、HRB500E和HRB400級(jí)鋼筋的應(yīng)變疲勞試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到Coffin-Manson、Hollomon表達(dá)式和疲勞三參數(shù)Cf、Cd和α值；分析了T63E鋼筋疲勞過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)特性。試驗(yàn)表明：釩-氮微合金化工藝生產(chǎn)的HRB500E鋼筋，其低周疲勞壽命和循環(huán)韌度均優(yōu)于釩-氮-鈮方法生產(chǎn)的HRB500E鋼筋。

3)首次用耗能韌度評(píng)價(jià)鋼筋在應(yīng)變疲勞過(guò)程中(地震反復(fù)作用)消耗的能量，T63E高強(qiáng)度鋼筋的耗能韌度明顯高于HRB400級(jí)鋼筋。

4)耗能韌度與應(yīng)變幅有關(guān)。T63E與HRB400級(jí)鋼筋在較小的應(yīng)變幅時(shí)，單周循環(huán)應(yīng)變能較小，但由于疲勞周次較高，故總耗能韌度較大，也就說(shuō)鋼筋在較小的應(yīng)變幅下，抗震能力更強(qiáng)。

5)對(duì)比分析T63E與HRB400級(jí)鋼筋應(yīng)變疲勞特性的差異。相同應(yīng)變幅值，T63E高強(qiáng)鋼筋疲勞壽命比HRB400級(jí)鋼筋更長(zhǎng)；應(yīng)變幅±1%時(shí)，前者的疲勞壽命是后者的1.8倍；應(yīng)變幅±1.2%到±2.0%時(shí)，T63E級(jí)高強(qiáng)鋼筋應(yīng)變疲勞壽命成倍數(shù)增加。表明提高鋼筋強(qiáng)度對(duì)改善低周疲勞壽命有顯著貢獻(xiàn)。

6)高強(qiáng)度鋼筋與HRB400級(jí)鋼筋應(yīng)變疲勞特性和疲勞參數(shù)有明顯差異。建立了T63E和HRB400級(jí)鋼筋總應(yīng)變幅與強(qiáng)度損失系數(shù)、塑性應(yīng)變范圍的關(guān)系；回歸得到強(qiáng)度損失系數(shù)、塑性應(yīng)變范圍與疲勞壽命之間的關(guān)系式。試驗(yàn)表明高強(qiáng)度鋼筋具有較高疲勞壽命和總耗能韌度等。

感謝江蘇永鋼集團(tuán)有限公司提供的研究資料及對(duì)研究給予的大力支持和幫助。