高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法

摘要

高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法，本发明涉及土木工程领域的建筑材料应力、应变测试方法。本发明是要解决现有高温应变引伸计无法直接获得高温下钢筋的全应变与测量结果不准确的问题，而提供了高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法。通过高温下钢筋应变测试系统获得高温下钢筋的应力、应变曲线和相应的应力、变形曲线；进行位移测量时，基于位移协调方程，计算高温下钢筋的应变；假设高温下钢筋的应力、应变曲线由一个“粘壶”和一个无粘性的弹塑性元件组成，得到粘性特征值k/α；按式(3)将两阶段加载速率v1、v2获得的应力、应变曲线转变为任意加载速率v下的应力、应变曲线。本发明应用于土木工程领域钢筋的高温应力、应变测量。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域的建筑材料应力、应变测试方法。

背景技术

高温下建筑结构用钢筋极限拉伸应变可到达20%，但高温下钢筋应变测试系统中高 温应变引伸计量程有限（一般在±0.03），采用现有高温应变引伸计无法直接获得高温下钢 筋的全应变。同时，高温下钢筋强度随加载速率变化，导致测量结果不准确。

发明内容

本发明是要解决现有高温（20-1100℃）应变引伸计无法直接获得高温下钢筋的全应 变与测量结果不准确的问题，而提供了高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法。

一、通过高温下钢筋应变测试系统获得高温下钢筋的应力、应变曲线和相应的应力、 变形曲线；

其中，所述应力、应变曲线中应变最大值为ε₀，ε₀小于钢筋高温下的极限拉应变；

钢筋应变小于ε₀时，加载速率为v₁；钢筋应变测试系统同时测量高温下钢筋的应力、 应变和应力、位移；

当钢筋应变超过ε₀时，钢筋应变测试系统中高温应变引伸计达到量程，钢筋应变测 试系统自动转为位移测量，即测量钢筋总变形Δ_T，加载速率为v₂；

二、进行位移测量时，基于位移协调方程，高温下钢筋的应变计算公式如下：

ε_T=[Δ_T-(l₀-l₁)σ_T/E_s]/l₁      (1)

式中，ε_T表示温度为T℃时钢筋应变，Δ_T表示温度为T℃时钢筋总伸长，σ_T表示温 度为T℃时钢筋实测应力，E_s表示钢筋常温下弹性模量，l₀表示钢筋总长度，l₁表示等效 处理后钢筋温度为T℃的长度，T₀表示室温；

其中，所述等效处理步骤为：

绘制高温下钢筋的温度分布图，高温下钢筋的等效温度分布图，按照等效前后钢筋温 度面积相等将高温下钢筋的温度分布图与高温下钢筋的等效温度分布图进行等效处理；

其中，所述l₁计算步骤为：

根据应变测量和变形测量变化处钢筋应变相等的原则，迭代计算等效后钢筋温度为 T℃的长度l₁：

①、确定高温下（T）应变为ε₀时对应的钢筋总伸长Δ_T和应力σ_T；

②、在室温下（T₀）应力、应变曲线中找到与σ_T应力相同时的应变；

③、给定一个l₁初始值，带入式(1)，求ε_T；

④、调整l₁初始值；

⑤、重复步骤③、④，迭代计算直到ε_T等于ε₀，记录ε_T等于ε₀时的l₁值；

⑥、用l₁值和大于ε₀的应力、变形曲线中应力σ_T，计算钢筋高温区应变ε_T，进而将 应变大于ε₀的钢筋应力、变形曲线转化为应力、应变曲线；

三、假设高温下钢筋的应力、应变曲线由一个“粘壶模型”和一个无粘性的弹塑性元件 组成，定义加载速率v与应变变化率的比值当加载速率v₁时，由“粘壶模型” 提供的应力σ₁=k×v₁/α；加载速度为v₂时，由“粘壶模型”提供的应力σ₂=k×v₂/α，由 此可得粘性特征值k/α：

$k/\alpha =\frac{{\sigma }_2-{\sigma }_1}{v_2-v_1}---\left(2\right)$

由步骤一中获得的应力、应变曲线可得到加载速率转变时应力的变化，即（σ₂-σ₁）， 将两阶段加载速率v₁、v₂与（σ₂-σ₁）代入公式（2），即可求出对应于每个试件在一定温 度下的粘性特征值k/α，k为粘性系数；

四、按式(3)将两阶段加载速率v₁、v₂获得的应力—应变曲线转变为任意加载速率v下 的应力、应变曲线：

σ=σ_i+k/α(v-v_i)i=1,2      （3）

即完成了高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法。

发明效果：基于变形协调方法，实现了小量程高温应变引伸计测量钢筋的极限拉伸应 变，基于粘弹性原理，消除了高温下加载速率变化对钢筋强度的影响，该方法可实现高温 下不同加载速率的钢筋应力、应变全曲线测量。应用该发明，可将高温下钢筋受拉应变测 量范围从0.03扩展到0.2，应变测量范围扩大6.7倍。同时解决了加载速率变化对应力测 量精度的影响，测量精度提高幅度随加载速率的变化。钢筋种类确定时，加载速率变化越 大，采用本发明后，提高的测量精度越高，一般情况可提高应力测量精度5～10%。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是实施例中高温下钢筋实际温度分布；

图3是实施例中高温下钢筋的温度分布等效图；

图4是实施例中不同加载速率下某钢筋应力、应变曲线；

图5是实施例中高温下钢筋应力、应变曲线；

图6是实施例中高温下钢筋应力、位移曲线；

图7是具实施例中将高温下钢筋应力、位移曲线转变为应力、应变曲线的流程图；

图8是实施例应用本发明后获得的消除加载速率影响的高温下钢筋应力、应变全曲 线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法包括以下 内容：

一、通过高温下钢筋应变测试系统获得高温下钢筋的应力、应变曲线和相应的应力、 变形曲线；

其中，所述应力、应变曲线中应变最大值为ε₀，ε₀小于钢筋高温下的极限拉应变；

钢筋应变小于ε₀时，加载速率为v₁；钢筋应变测试系统同时测量高温下钢筋的应力、 应变和应力、位移；

当钢筋应变超过ε₀时，钢筋应变测试系统中高温应变引伸计达到量程，钢筋应变测 试系统自动转为位移测量，即测量钢筋总变形Δ_T，加载速率为v₂；

二、进行位移测量时，基于位移协调方程，高温下钢筋的应变计算公式如下：

ε_T=[Δ_T-(l₀-l₁)σ_T/E_s]/l₁      (1)

式中，ε_T表示温度为T℃时钢筋应变，Δ_T表示温度为T℃时钢筋总伸长，σ_T表示温 度为T℃时钢筋实测应力，E_s表示钢筋常温下弹性模量，l₀表示钢筋总长度，l₁表示等效 处理后钢筋温度为T℃的长度，T₀表示室温；

其中，所述等效处理步骤为：

绘制高温下钢筋的温度分布图，高温下钢筋的等效温度分布图，按照等效前后钢筋温 度面积相等将高温下钢筋的温度分布图与高温下钢筋的等效温度分布图进行等效处理；

其中，所述l₁计算步骤为：

根据应变测量和变形测量变化处钢筋应变相等的原则，迭代计算等效后钢筋温度为 T℃的长度l₁：

①、确定高温下（T）应变为ε₀时对应的钢筋总伸长Δ_T和应力σ_T；

②、在室温下（T₀）应力、应变曲线中找到与σ_T应力相同时的应变；

③、给定一个l₁初始值，带入式(1)，求ε_T；

④、调整l₁初始值；

⑤、重复步骤③、④，迭代计算直到ε_T等于ε₀，记录ε_T等于ε₀时的l₁值；

⑥、用l₁值和大于ε₀的应力、变形曲线中应力σ_T，计算钢筋高温区应变ε_T，进而将 应变大于ε₀的钢筋应力、变形曲线转化为应力、应变曲线；

三、假设高温下钢筋的应力、应变曲线由一个“粘壶模型”和一个无粘性的弹塑性元件 组成，定义加载速率v与应变变化率的比值当加载速率v₁时，由“粘壶模型” 提供的应力σ₁=k×v₁/α；加载速度为v₂时，由“粘壶模型”提供的应力σ₂=k×v₂/α，由 此可得粘性特征值k/α：

$k/\alpha =\frac{{\sigma }_2-{\sigma }_1}{v_2-v_1}---\left(2\right)$

由步骤一中获得的应力、应变曲线可得到加载速率转变时应力的变化，即（σ₂-σ₁）， 将两阶段加载速率v₁、v₂与（σ₂-σ₁）代入公式（2），即可求出对应于每个试件在一定温 度下的粘性特征值k/α，k为粘性系数；

四、按式(3)将两阶段加载速率v₁、v₂获得的应力—应变曲线转变为任意加载速率v下 的应力、应变曲线：

σ=σ_i+k/α(v-v_i)i=1,2      （3）

即完成了高温变加载速率下钢筋应力、应变测量方法。

本实施方式效果：实现了小量程高温应变引伸计测量钢筋的极限拉伸应变，消除了高 温下加载速率变化对钢筋强度的影响，该实施方式可实现高温下不同加载速率的钢筋应 力、应变全曲线测量。应用该实施方式，可将高温下钢筋受拉应变测量范围从0.03扩展 到0.2，应变测量范围扩大6.7倍。同时解决了加载速率变化对应力测量精度的影响，测 量精度提高幅度随加载速率的变化。钢筋种类确定时，加载速率变化越大，采用本实施方 式后，提高的测量精度越高，一般情况可提高应力测量精度5～10%。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中高温为 20～1100℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中高温为 50～1000℃。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤一中高 温为500℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤二中所 述室温为20℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

实施例：

应用高温下钢筋应变测试系统，实测某钢筋高温下（300℃）应力、应变曲线如图5 所示，曲线对应的最大应变ε₀，加载速率v₁；实测该钢筋高温下（300℃）应力、位移曲 线如图6所示，加载速率v₂；

钢筋实际温度分布如图2所示，

进行位移测量时，基于位移协调方程，高温下钢筋的应变计算公式如下：

ε_T=[Δ_T-(l₀-l₁)σ_T/E_s]/l₁      (1)

式中，ε_T表示温度为T℃时钢筋应变，Δ_T表示温度为T℃时钢筋总伸长，σ_T表示温 度为T℃时钢筋实测应力，E_s表示钢筋常温下弹性模量，l₀表示钢筋总长度，l₁表示等效 处理后钢筋温度为T℃的长度，T₀表示室温；

其中，所述等效处理步骤为：

绘制高温下钢筋的温度分布图，如图2所示，高温下钢筋的等效温度分布图，如图3 所示，按照等效前后钢筋温度面积相等将高温下钢筋的温度分布图与高温下钢筋的等效温 度分布图进行等效处理；

其中，所述l₁计算步骤为：

根据应变测量和变形测量变化处钢筋应变相等的原则，迭代计算等效后钢筋温度为 T℃的长度l₁：

①、确定高温下（T）应变为ε₀时对应的钢筋总伸长Δ_T和应力σ_T；

②、在室温下（T₀）应力-应变曲线中找到与σ_T应力相同时的应变；

③、给定一个l₁初始值，带入式(1)，求ε_T；

④、调整l₁初始值；

⑤、重复步骤③、④，迭代计算直到ε_T等于ε₀，记录ε_T等于ε₀时的l₁值；

⑥、用l₁值和大于ε₀的应力、变形曲线中应力σ_T，计算钢筋高温区应变ε_T，进而将 应变大于ε₀的钢筋应力、变形曲线转化为应力、应变曲线；如图7所示；

应用式（1），可将钢筋温下（300℃）应力、位移曲线转变为应力、应变曲线，如图 4所示。

由式（2）确定粘性特征值k/α，由式(3)将两阶段加载速率v₁、v₂获得的应力—应变 曲线转变为加载速率为0时的应力、应变曲线，如图8所示。

本实例中，应用该发明，将实测钢筋应力、应变曲线最大点从约0.0297扩充至约 0.0883，应变测量范围扩大约3倍，消除加载应变率的影响后，峰值应力从1346MPa降 至1243MPa，精度提高8.3%。