建筑钢筋动态试验及本构模型的思考

建筑钢筋动态试验及本构模型的思考

黄永新

番禺区建设工程质量检测中心广东省广州市511400

摘要：钢筋是建筑中的重要组成部分，不同强度在地震中的应变作用也不同，因此有必要对建筑钢筋的强度进行测试。基于此，本文就建筑钢筋动态试验及本构模型进行研究，首先就建筑钢筋的动态试验进行分析，重点阐述动态实验的内容，并从拉伸加载、等幅循环加载和变幅循环加载分析实验结果，然后对钢筋动态循环本构模型进行分析，重点阐述其骨架曲线、滞回规则，并对实验结果进行对比。

关键词：建筑钢筋；动态试验；本构模型

引言：钢筋混凝土结构在地震的情况下会受到很大的影响，其主要原因在于钢筋的强度在动态作用下会产生变化，并且产生高应变率。从大量的调查研究可以发现，钢筋混凝土结构在地震作用下的应变率最大为每秒0.1左右，在应变率达到最大时，钢筋混凝土结构所承载的力会发生显著变化，使建筑结构产生变形现象。为了提升钢筋混凝土结构的稳定性，探究这一课题是很有必要的。

一、建筑钢筋动态试验

（一）实验内容

钢筋混凝土结构对建筑的稳定性和安全性具有至关重要的作用，为了明确该结构在地震冲击下产生的变化，有必要进行建筑钢筋动态实验。根据调查相关文献可以明确钢筋混凝土结构在地震中受到的最大应变率，但是当前对地震作用下钢筋混凝土结构的应变率效应还缺乏相应的研究，对材料动态循环本构模型的设计也没有明确的研究结果，针对钢筋的动态试验集中于快速加工情况下的研究，虽然取得的实验结果与地震作用下应变率效应的结果相近，但是仍然缺乏定量的数据分析，因此本文以提升建筑钢筋的抗震作用为目的，针对钢筋在地震情况下的应变率效应进行实验。

（二）实验材料

本次钢筋动态实验中选择的符合抗震设计规范，选用直径为14毫米的HPB235、HRB400和HRB335材料。实验试件数量共98个，根据类型的不同分为a、b、c，对应的数量分别为36个、12个和48个。本次实验选择的试验机为电液伺服材料试验机，型号为HUT305D，在实验中将三类材料的准静态应变率设置为，将实验的温度控制在25℃，并且保证三类试件的应变率保持在恒定的状态。

（三）实验步骤

建筑钢筋动态实验的步骤主要包括以下几个方面：首先，为避免试件的直径影响单调拉伸加载的敏感性，选择a试件和b试件进行实验，测试在不同应变率条件下三类钢筋材料单调拉伸加载的结果；其次，选择c试件，测试三类钢筋材料在0.02幅值应变情况下的常幅值拉伸循环结果；第三，选择c试件，对HRB400钢筋材料在不同应变率下的变幅循环加载情况进行分析。

（四）实验结果及分析

1.拉伸加载

根据实验过程可以发现，当应变率增加时，HPB235、HRB400和HRB335这三种钢筋的弹性模量都基本保持在恒定状态，受到的影响并不显著，拉伸强度与屈服强度也会随着应变率的增加而增加；极限延伸率在应变率增大时先随着增大，然后慢慢减小；屈服平台和应变硬化也随着应变率的增加而增大，其中应变硬化的峰值没有显著变化。对HPB235、HRB400和HRB335这三类钢筋的拉伸加载结果进行对比发现，不同直径的试件在不同的应变率下，其强度在实验中没有明显的变化，应变率的敏感性也没有发生明显的改变，因此试件的直径与应变率的变化没有直接关系。

2.等幅循环加载

测试三类钢筋材料在0.02幅值应变情况下的常幅值拉伸循环结果时发现，三种钢筋材料呈现出不同的状态，其中HRB400和HRB335为强化状态，HPB235为屈服状态。当应变率增加时，HPB235、HRB400和HRB335这三种钢筋材料的强度都会随着提升，滞回耗能也会相应提升，而处于屈服状态的钢筋材料HPB235表现出更大的等幅循环加载强度，但是滞回的规则时相似的，都表现出越来越窄的状态。

3.变幅循环加载

针对变幅循环加载的实验主要在应变率为的状态下进行，并且对两种应变率下的变幅循环加载进行对比分析。根据实验结果可以看到，当应变率增加时，三类钢筋材料的强度也会随之增加，在两种应变率下，三类钢筋材料的滞回环处于相似状态。对HPB235、HRB400和HRB335这三种钢筋材料的骨架曲线进行对比，发现在同样的应变率条件下，变幅循环加载的拉伸加载曲线与骨架曲线处于基本重合的状态，可以根据这一结论构建钢筋动态循环本构模型。

二、钢筋动态循环本构模型

钢筋动态本构模型的建立以简单实用为原则，因此将应变力作为钢筋动态循环本构模型的显函数，对拉伸加载、等幅循环加载和变幅循环加载三种形式下的非线性关系进行描述，可以得到良好的模拟效果。

（一）骨架曲线

根据钢筋动态实验可以得到，在同等的应变率下，单调加载与循环加载下三类钢筋材料的拉伸曲线是同一条曲线，因此在构建骨架曲线的过程中，选择单调加载状态下的参数，将变形值和动态值作为构建方程的数值。为了避免钢筋动态循环本构模型的复杂化，排除钢筋材料处于屈服状态下的强度，最终得到的骨架曲线本构模型的关系式如下所示：

（二）滞回规则

滞回规则主要指的是滞回曲线在不同作用力下的荷载情况，能够对钢筋混凝土结构的反复承载作用力的状态进行说明和表示，应用到的理论为包辛格效应，能够充分反映钢筋混凝土结构的变形情况。为了避免钢筋动态循环本构模型的复杂化，排除循环塑性应力在不断增加和累积的情况下，应变硬化曲线的变化情况，最终得到的关系式如下所示：

（三）实验结果对比

对HPB235、HRB400和HRB335这三种钢筋材料的试件依次进行实验，对比发现拉伸加载、等幅循环加载和变幅循环加载三种形式下的实验结果符合钢筋动态循环本构模型，因此本次建筑钢筋动态实验及动态循环本构模型的构建是合理有效的。总结实验来看，主要在抗震设计的规则要求下，选择HPB235、HRB400和HRB335三种钢筋材料，发现在应变率增加的情况下，拉伸强度和屈服强度会随着应变率的增加而增加；极限延伸率在应变率增大时先随着增大，然后慢慢减小；屈服平台和应变硬化也随着应变率的增加而增大。其中三种钢筋的强度特征会明显增加，而强度特征较弱的建筑钢筋对应变率的反应更加敏感。

结论：综上所述，针对建筑钢筋动态试验及本构模型的研究是很有必要的。研究可得，钢筋混凝土结构对建筑的稳定性和安全性具有至关重要的作用，通过钢筋动态实验和本构模型的研究可以明确该结构在地震过程中发生的动态变化，从而从设计的角度出发，改善钢筋混凝土结构的参数，提升该结构在建筑中的稳定性。希望本文可以为研究建筑钢筋动态试验及本构模型的相关人员提供参考。

参考文献：

[1]黄晓莹.常用建筑钢筋材料高应变率力学性能研究[D].西南科技大学,2015.

[2]姜太平,谢圣学.三维建筑模型中的钢筋动态模型生成与渲染[J].计算机工程与设计,2014,35(07):2482-2486.