淺談橋梁預應力材料及技術現狀

摘 要：本文對于目前國內外通用的金屬預應力材料的加工工藝、性能特點進行了描述，對于相應的錨具的功能特點及實際的張拉使用中張拉損失等問題進行了分析，根據其各自的特點應選用適合的預應力材料。

關鍵詞：預應力材料；強度；延伸率；張拉；張拉損失

1 前言

預應力結構是在結構承受外荷載之前，預先對其在外荷載作用下的受拉區施加壓應力，以改善結構使用的性能的結構。在工程中，采用預應力結構可以提高構件的剛度，推遲裂縫出現的時間，增加構件的耐久性 。早期的酒桶、手工鋸就是基于這一原理。

1928年法國率先將高強度用于于預應力混凝土，并在20世紀40年代后得到廣泛應用與發展。我國在20世紀50年代開始試驗研究預應力混凝土結構。最初試用于預應力混凝土軌枕，之后于1956年在隴海線成功建成跨新沂河的預應力混凝土鐵路梁橋； 1957年京周公路上也修建了一座跨徑為20m的裝配式后張預應力混凝土簡支梁橋。此后預應力混凝土結構在我國橋梁建設中的應用發展迅速，應用范圍也擴大到高層建筑、海洋工程壓力容器、基礎工程等新領域，并隨著高性能預應力材料的采用，施工工藝的不斷創新，計算理論的不斷完善，設計思想的不斷發展，預應力技術在我國得到了廣泛的應用。

2 預應力材料

預加應力材料是指對混凝土施加預應力的各種材料，包括高強鋼筋、鋼絲、鋼絞線、復合材料預應力筋等，其應具有高強度、良好塑性、低松弛、等特點。復合材料預應力筋如：玻璃纖維增強聚合物（GFRP）、芳綸纖維增強聚合物（AFRP）及碳素纖維增強聚合物（CFRP）預應力筋。它們具有質輕、高強、耐腐蝕、耐疲勞，非磁性等優點，目前主要用于橋梁加固領域。金屬預應力筋主要有：精軋螺紋鋼筋、高強鋼絲、鋼絞線，高強預應力鋼棒等。高強鋼絲在現有的施工中使用范圍在逐漸縮小，在這里就不進行詳細介紹。

2.1 精軋螺紋鋼筋

精軋螺紋鋼筋是整根鋼筋上軋有外螺紋的大直徑、高強度、一定尺寸精度的直條鋼筋，通過特制的螺母進行錨固。精軋螺紋鋼筋的原材料為中碳低合金鋼，通過熱軋后控制冷卻速度來提高鋼筋的強度。其得到的金相組織通常為鐵素體+珠光體，一般的規格為PSB785。如進一步的提高強度加快冷速得到的組織為混合貝氏體+索氏體+珠光體+鐵素體通常為PSB930等。金相組織的構成決定了PSB785具有較高的韌性較低的強度，PSB930具有較高的強度較低的韌性。這也就是為什么國標中PSB785延伸率規定為7%以上，而PSB930為6%以上的原因。由于采用的工藝是控制冷卻工藝其受氣溫變化，設備影響的因素較多，因此市面PSB830以上的材料很少。由于其采用的是熱軋后控制冷卻的工藝，減少了能源消耗因此從制造成本上有所降低。如能采用連鑄連軋控制冷卻工藝可進一步降低成本。

2.2 鋼絞線

鋼絞線是在當今預應力工程中使用最為廣泛的一種材料。目前，其強度在金屬預應力材料中最高。鋼絞線原材料為高碳鋼或高碳合金鋼，通過斯泰爾摩控冷技術（取代鉛浴等溫處理）得到強度在1000MPa左右的高強鋼絲，再通過多道冷拔工藝使得鋼絲尺寸穩定，強度進一步增加，然后經過絞合工藝、穩定化工藝得到鋼絞線。通過斯泰爾摩控冷技術處理得到的金相組織為片間距極小索氏體組織，然后利用薄滲碳體可以彎曲和產生塑性變形的特性進行深度冷拔以增加鐵素體片內的位錯密度以及細化由位錯纏結所組成的包塊，而使強度得到顯著提高，強度可達1860級以上，通過回火穩定化處理進一步消除了內部的組織應力。由于得到的是索氏體組織，其強度的提高伴隨了塑性的降低，因此一般鋼絞線的延伸率較低，一般為4-5%左右。

2.3 預應力鋼棒

預應力鋼棒是由日本高周波熱煉株式會社于60年代研制成功的，用于水泥管樁、電桿、高速鐵路軌枕等。目前我國用于鐵路軌道板及鐵路橋梁橫向預應力，公路橋梁豎向預應力加固工程。預應力鋼棒原材料為中低碳合金鋼，通過冷拔調質工藝得到。其金相組織為回火索氏體。回火索氏體與索氏體相比較，其析出的碳化物呈球狀彌散地分布于基體中，故回火索氏體比索氏體具有更好的綜合機械性能。因此其延伸率標準要求7%以上，一般可以做到9%以上。鋼棒由于采用的調質工藝強度比精軋螺紋鋼筋高比鋼絞線低，延伸率優于前兩者。鋼棒的強度通常可以做到1420級甚至到1570級，并在1570級時延伸率仍可達到7%以上。延伸率的提高使其比鋼絞線及精軋螺紋鋼筋有更強的抗震吸能性。缺點在較長的預應力束時，錨固螺紋加工不方便，運輸不方便。

3 預應力錨具及對張拉的影響

3.1 精軋螺紋鋼錨具

由于精軋螺紋鋼采用熱軋成型，其尺寸精度較冷加工工藝低。錨固螺母一般采用中碳鋼，經熱鍛或冷鐓成型外六方，內部螺紋采用旋風銑工藝加工，最后經過調質處理，表面處理加工而成。雖然螺母可以達到一定的加工精度，但由于螺紋鋼的熱軋精度不高，造成在張拉時有1.5mm左右的回縮量。在超短距離施工時遭成一定的應力損失。例如：張拉長度在2m時，張拉控制應力σcon為667MPa時，根據公式及F=σconA可推導張拉損失率公式，已知精軋螺紋鋼的彈性模量E=200GPa，在2m的精軋螺紋鋼回縮2mm時回縮導致的張拉損失率為22%左右。因此對于精軋螺紋鋼在超短距離時應力損失過大。精軋螺紋鋼一般為標準的6米，9米，12米，工程量大時可進行定尺軋制，軋制長度以0.5米級計算，對于常用于現澆變截面梁的豎向預應力來說，無形中造成了鋼材的浪費。由于精軋螺紋鋼在張拉前需預留張拉的280mm左右的工作長度，進一步加大了鋼材的浪費。

3.2 鋼絞線夾片式錨具（張拉端）

鋼絞線夾片式錨具是目前預應力施工時用量最大的錨具，夾片一般采用20CrMnTi加工，采用碳氮共滲使夾片達到外硬內韌。錨板采用中碳或中碳合金鋼經調質熱處理工藝加工而成。由于結構的問題鋼絞線在張拉時單端一般有5mm以上的回縮量，根據3.1中的公式，鋼絞線彈性模量E取195GPa。σcon=0.75fpk=1395MPa， fpk取1860 MPa，當張拉長度為2m時張拉損失率為35%，當張拉長度為5m時張拉損失率為14%，當長度為10m時采用單端張拉張拉損失率為7%。近年來，為解決鋼絞線夾片錨具回縮量大的問題，發展出來一種低回縮錨具，其做法為在錨板上加工螺紋，用外加螺母進行鎖緊。這種方式可以解決回縮量的問題，但缺點是錨具制造費用昂貴，施工需進行二次張拉。鋼絞線通常的供貨狀態為整盤供貨，施工時需要多少截取多少避免了定吃時材料的浪費，但其張拉時也需要預留張拉工作長度。在長距離的張拉時由于其強度高，施工浪費少，是目前不可替代的產品。

3.3 預應力鋼棒螺紋錨具

預應力鋼棒采用冷拔后調質工藝，冷拔精度可以控制在0.06mm以內，冷拔定尺切斷后進行滾絲工藝，滾絲精度控制在0.1mm以內，滾絲后進一步提高了鋼棒滾絲部位的強度，錨固螺母采用中碳或中碳合金鋼調質加工而成。由于鋼棒及配套錨具均采用冷加工成型，加工精度高，因此其回縮量一般在0.1mm以內。根據3.1中的公式鋼棒的彈性模量E取E取200GPa。σcon=0.75fpk=1065MPa， fpk取1420 MPa，當張拉長度為2m時張拉損失率為0.9%，當張拉長度為5m時張拉損失率為0.4%。預應力鋼棒強度高，單從強度考率預應力鋼棒替代精軋螺紋鋼可節約37%以上的鋼材，加上預應力鋼棒可定尺到毫米級精度，張拉時采用張拉桿連接施工，不需要預留張拉工作長度，張拉后不需要割筋。采用預應力鋼棒替代精軋螺紋鋼可節約45%左右的鋼材用量。預應力鋼棒錨具的螺距小，螺紋升角低，摩擦角大，其錨固防松效果更強。缺點為其受到螺紋長度短、運輸不方便的限制不適合長距離的張拉。

4 總結

預應力鋼棒產品具有高強度、低松弛，高延伸率等特點。鋼棒螺紋及配套錨具加工精度高、施工回縮量小、螺紋采用滾壓成型疲勞特性強。在中、短距離的預應力施工中能夠替代精軋螺紋鋼筋大大節約了鋼材用量。

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