液化天然气作为一种储存量丰富的新型能源，在针对其储存设施的优化设计方面，仍存在许多技术难题．钢筋混凝土作为目前主要的天然气储存设施材料，为充分发挥超低温下混凝土结构的性能优势，节约建设成本，其在超低温作用下的性能研究属于基础性前沿课题，具有重要的科学价值和应用前景．现有针对超低温下钢筋混凝土梁构件的力学性能研究表明：超低温增加了钢筋混凝土和预应力混凝土受弯承载力及开裂荷载，且随着温度的降低，这种增加效果越发显著[1-3]．在深冷环境下，钢筋屈服强度、混凝土强度以及钢筋与混凝土的黏结强度等均随温度降低呈现提高的趋势[4-6]．另外，也有学者指出在反复深冷循环作用下，混凝土内部会存在冻融损伤，进而导致其弹模和承载力出现下降的趋势[7-8]．低温温度和水分含量将极大影响混凝土的热性能，低温作用产生的温度应力将作用于其内部结构，导致结构破坏[9]．已有研究指出：深冷过程中混凝土与钢筋的热变形性能差异会逐渐凸显，导致钢筋混凝土构件出现不容忽视的温度应力[10]，因此须充分研究混凝土的热膨胀和混凝土构件各不相同引起的损伤增长[11]．目前针对超低温下钢筋混凝土结构的研究仍主要集中在构件宏观承载力及变形性能研究方面，而围绕构件内因为钢筋与混凝土热变形性能差异所引起的温度应变及温度应力发展状况的相关研究报道较少．此外，受到现有研究条件的限制，针对相关的试验研究，深冷作用条件与荷载施加条件往往难以完全同步．综上，本研究运用自主研发的超低温力学加载试验设备，实现对钢筋混凝土受弯试件和轴拉试件进行荷载-温度同步施加，并通过超低温数据监测装置，实时捕捉深冷过程中试件关键截面处钢筋测点的温度和应变数据，据此研究超低温下钢筋混凝土抗弯刚度和抗拉刚度，以及试件内部由于钢筋与混凝土在超低温下线膨胀系数差异引起的钢筋温度约束应力随温度的变化规律，为开展超低温下液化天然气(LNG)储罐的力学性能深入研究及优化设计提供参考．1 试验概况1.1　试验材料依据现行设计规范，按照满足最低配筋要求配置钢筋，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥和耐低温304不锈钢钢筋(常温下实测304不锈钢平均屈服强度为215 MPa，抗拉强度为515 MPa)．现场试验混凝土按照C30混凝土配置，水、砂、石和水泥的质量配合比为0.45:2.45:3.25:1，其中，砂采用中砂，粗骨料粒径为5~20 mm，并在标准条件下养护28 d，实测同期养护标准混凝土立方体强度平均值fcu，k为33.2 MPa．制备8根试件，其中：L0，L1，L2和L3为受弯试件；L4，L5，L6和L7为轴拉试件．L0~L7试件测点布置如图1所示，在试件跨中截面处每根钢筋上布置1个测点(1b~6b和1c~4c)．为确认试验受弯梁中性轴附近位置在温度和力耦合作用下的应变变化情况，特设置腰筋并在其上布置应变片测点，同时为验证混凝土梁跨中截面的受力变形在超低温下仍符合平截面假定，在混凝土上下表面布置应变片(型号CFLA-6-350-11)．在每根试件跨中中心和外表各布置一个热电偶(型号PT100)，用于监测试件内外的温差．采用TDS-530数据采集仪记录试件在温度与荷载同步施加条件下测点处的温度及应变变化．此外，专门布置了3根耐低温304不锈钢钢筋作为补偿件，用于测定钢筋在降温过程中的钢筋材料自由伸缩变形，还配备四块石英玻璃作为标准补偿件，由此结合石英示差法可推算试验用钢筋的线膨胀系数，验证本研究提出测试系统的合理性．10.13245/j.hust.210519.F001图1试件测点布置图(mm)1.2　试验装置深冷装置如图2所示，由试验箱、测试系统和配重等部分组成，其中试验箱由不锈钢钢板制成，试件置于箱内支撑装置上，在试件上安装夹具通过拉杆连接箱体外配重实现荷载施加．试验箱内侧有液氮注入通道及风扇，液氮注入箱内后瞬间汽化，通过风扇搅拌，在箱内实现空气循环，达到匀速降温的目的．通过测试导线将数据采集装置与箱内试件测点连接，用以实时记录试件测点处的温度和应变输出．须要指出：考虑到在降温过程中箱体内部的加载装置同样会受到温度影响而发生变形，故采用配重方式施加荷载，可以最大限度减少加载装置受温度影响对所荷载施加的干扰．10.13245/j.hust.210519.F002图2深冷装置示意图1.3　试验方法为防止各试件含水率不同对试验造成影响，将养护完成的钢筋混凝土试件通过高温箱提供的100 ℃环境烘干1 h以上，之后对试件安装加载夹具固定于超低温试验箱内，同时将自由钢筋及石英玻璃片等放入箱内．试验前对试件梁进行2~3次预压，消除安装的间隙，之后以1 ℃/min的速度实现环境降温，当测试表明试件内部热电偶温度达到指定试验温度，且当混凝土内部与表面温度差异在1 ℃以内时，维持此温度环境10 min左右并开始力加载．须要指出：为防止混凝土开裂导致液氮泄露，LNG储罐通常采用预应力混凝土结构，因此本研究重点在于混凝土开裂前的力学性能．针对受弯和轴拉构件，有按照相同配比专门制备的对照试件L0和L7，在正式试验前测得对照试件在常温下的开裂荷载，考虑到材料性能的随机性，试验过程中施加最大荷载控制在开裂荷载的50%以内．试验结束后通过将试件取出观察，表明试件并未开裂及破坏．试件采用七级分别施加，各级荷载如表1所示．在加载至最大荷载后，维持加载状态3 min，按照上述方式逐级卸载．温度作用施加方面从0 ℃降至-165 ℃，每间隔10 ℃进行一次加卸载，也即针对同一根试件，合计开展18轮加卸载试验．10.13245/j.hust.210519.T001表1试件各级加载试件荷载级别1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 JL1～L302.307.0111.7616.0320.4524.83L4～L604.879.6113.7918.2022.5826.96kN2 构件刚度随温度的变化规律分析2.1　数据处理方法采用1/4桥测试各测点的应变输出，测试得到的应变输出信号为εti，其具体表达式为εti=εMti+εRti+εαti，(1)式中：εMti为力引起的应变；εRti为应变片电阻由于温度变化引起的虚应变；εαti为应变片与测试材料热膨胀系数不同引起的应变，有εαti=(α0-αs)Δti，其中，α0为试件的平均温度线膨胀系数，αs为应变片的平均温度线膨胀系数，Δti为从常温下降到ti温度时的温度差．当试件从常温降低至ti温度时，钢筋和混凝土在超低温环境下由于线膨胀系数差异，导致两者相互约束产生约束应变εMαti．也即式(1)中的εMti应该包括外荷载引起的应变εMGti和εMαti，即εMti=εMGti+εMαti．在这种情况下，以往将试件测点与补偿件测点半桥连接的做法难以直接得到在降温过程中由于外荷载作用引起的应变εMGti．注意到在试件测点降温至指定温度ti并确保试件冷透后逐步施加外荷载的过程中，εMαti，εRti和εαti等均保持不变，可以将其扣除得到外力荷载引起的应变值．即对每级外力荷载的应变输出减去相同温度下零荷载时的应变输出，即可得到外力荷载引起的应变εMGti．2.2　数据处理结果按照上述方法分离试件的温度应变和荷载应变，得到试件内部钢筋在不同温度下外荷载-应变曲线．作为示意，给出受弯构件L1在温度-165 ℃时仅受荷载P作用时试件不同高度h处的应变εh．由图3可知：试件平截面假定适用于低温环境，该研究结论与文献[1]的研究结论一致．10.13245/j.hust.210519.F003图3梁跨中截面各高度应变分布图4为受弯试件L2和轴拉试件L6纵向钢筋在不同温度下的荷载P与钢筋的平均应变ε关系曲线，每条曲线包含了加载和卸载两个阶段．10.13245/j.hust.210519.F004图4不同温度下试件荷载与钢筋的平均应变曲线根据材料力学公式，有BM=M/ρ=εM/y；BN=N/εN，式中：BM为受弯试件抗弯刚度；M为受弯试件跨中弯矩；ρ为中性层的曲率；y为测点与梁中性轴之间的距离；εM为受弯试件在距离中性轴y位置处测点微应变平均值；BN为轴拉试件抗拉刚度；N为轴拉试件拉力；εN为轴拉试件跨中测点微应变平均值．由此可以求得不同温度t下试件抗弯、抗拉刚度与0 ℃下的比值γ，如图5所示．数据结果表明：受弯试件和轴拉试件在不同温度下荷载与钢筋的平均应变关系曲线大致相似，0～-100 ℃时钢筋混凝土试件的抗弯刚度和抗拉刚度非线性增大，当温度低于-100 ℃时，两者趋于稳定．10.13245/j.hust.210519.F005图5不同温度下试件抗弯、抗拉刚度与0 ℃下的比值3 混凝土对钢筋的约束应变分析在未施加外荷载情况下，数据采集仪测得的应变输出中同时包含了降温导致的物理收缩变形，以及由于钢筋与混凝土热膨胀系数差异引起的约束力产生的变形，须要将其分离．注意到自由钢筋在降温过程中不存在力引起的应变，通过将相同变温条件下未施加外荷载钢筋混凝土内钢筋测点与钢筋补偿件测点应变输出相减，即可得到混凝土对钢筋产生的约束应变εMαti．本研究采用1/4桥连接分别测试得到钢筋混凝土内钢筋测点与钢筋补偿件．测点应变输出随温度的变化曲线截取同一温度下对应的应变输出相减，得到εMαti．结合课题测试的数据，利用石英示差法可以实现对钢筋线膨胀系数的测试，而该方法同样须要将测试件与石英玻璃补偿件之间半桥连接[13]，也适用于原位补偿方法的数据处理条件．据此先利用该方法进行钢筋的线膨胀系数测试，再验证原位补偿法的合理性．在零荷载下，从常温下降到指定温度ti时，针对自由钢筋(无外包混凝土)测点的应变输出与石英标准片应变输出相减得到差值Δεti(这里分别采用1/4桥测试应变取得差值)，经计算整理后，可得钢筋的线膨胀系数α0ti为α0ti=αG+Δεti/Δti，(2)式中：Δεti为被测材料与石英玻璃应变输出之差；αG为石英玻璃的温度膨胀系数，参考文献[12]得到．通过式(2)计算得到的各温度t下钢筋平均线膨胀系数αt，如图6所示，本研究得到的钢筋线膨胀系数随温度降低变化趋势与文献[13]中非常接近，验证采用原位补偿法的思路计算钢筋线膨胀及混凝土约束应力具有合理性．10.13245/j.hust.210519.F006图6钢筋平均线膨胀系数利用原位补偿法得到在零荷载作用下混凝土对钢筋产生的约束应变εt随温度t变化关系曲线，如图7所示，可以得出如下结论．10.13245/j.hust.210519.F007图7试件混凝土对钢筋产生的约束应变a. 在试件由0 ℃降至-100 ℃的过程中，混凝土对钢筋产生的约束应变不断增大，在-100 ℃温度以下，混凝土对钢筋的约束应变增长速率进一步提高，且6根试件的约束应变随温度下降呈现出的增长趋势和幅度基本保持一致，表明本测试结果具有普遍规律性．b. 在降温过程中由于钢筋收缩较混凝土快，从而受到混凝土的约束作用，因此钢筋受到混凝土施加的拉应力，反之混凝土受到钢筋施加的压应力．就混凝土的受力性能而言，这是相对有利的，但会因此增加钢筋的拉应变，特别是在-100 ℃温度以下这种差异引发的钢筋约束拉应力会越发显著．建议在当前设计中，随着温度的下降，应对混凝土与钢筋线膨胀系数差异引起的约束应力予以足够的重视．钢筋混凝土构件在降温过程中钢筋的弹性模量Esti基本保持不变[1]，钢筋在不同温度下的线膨胀系数按照本研究实测结果取用，具体见图6．文献[10，14]研究表明：湿混凝土随温度的下降先发生热应变收缩，在-30~-70 ℃温度下呈膨胀变化，最后随温度下降呈收缩趋势；干混凝土随温度的下降呈线性收缩的趋势．当混凝土弹性模量Ecti随温度降低到-190 ℃以下时，稳定增加，约为室温下弹性模量的1.65~1.75倍．据此，结合文献[10，14]给出的混凝土线膨胀系数及弹模随温度降低过程中的变化规律，利用混凝土试件截面受力平衡和开裂前应变协调理论计算降温过程中混凝土对钢筋的约束应力．图8为混凝土内部钢筋的温度约束应力σt实测值(试件L1~L6)及理论值(M1和M2曲线)随温度t变化曲线．从图8可以看出：湿混凝土(M1)曲线有较大的波动，与干混凝土(M2)存在明显差异，这是因为湿混凝土在-30~-70 ℃温度下线膨胀系数存在较大的波动，导致在此温度梯度下混凝土对钢筋的约束应力呈非线性变化．由于L1~L6号试件在试验前已放入高温箱内烘干1 h以上，因此本试验中钢筋约束应力测试结果与干混凝土中的钢筋约束应力计算结果相似．还可以发现：当温度梯度过大时，在不考虑外荷载作用的情况下，钢筋中的温度约束应力可达200 MPa，其影响不可忽视．此外，考虑到实际LNG储罐通常处于深冷循环作用下，钢筋与混凝土之间的约束应力将随深冷循环作用发生反复变化，由此可能导致的钢筋与混凝土黏结性能及相关材料力学性能的退化还须要进一步研究．10.13245/j.hust.210519.F008图8混凝土内部钢筋的约束应力实测值及理论值随温度的变化4 结论分别对6根钢筋混凝土试件在0~-165 ℃下进行受弯和轴拉试验研究，可以得出以下结论．a. 提出原位补偿测试方法，可有效克服试验箱内由于温度场不均匀导致采用半桥连接时试件测点与补偿件测点降温不同步造成的误差．测出钢筋补偿件的平均线膨胀系数与先前研究相似，证明原位补偿测试方法的合理性．b. 在低温环境下，钢筋混凝土梁的抗弯刚度及抗拉刚度变化趋势相似．当温度低于-100 ℃时，钢筋混凝土梁的抗弯刚度和抗拉刚度趋于稳定．c. 钢筋混凝土梁在超低温环境下因混凝土和钢筋线膨胀系数不同会产生较大的约束应变，随着温度的降低，混凝土对钢筋的约束应力大致呈线性增大，且增加幅度显著，在设计中应予以足够的重视．