預(yù)應(yīng)力鋼絞線高溫力學(xué)性能研究進(jìn)展

廖 濱 胡煥偉 仇 實(shí)

（中建八局第二建設(shè)有限公司廣東公司）

0 引言

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土理論的不斷進(jìn)步與發(fā)展，近年來，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和材料越來越多被用在許多重要的工程中。作為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，預(yù)應(yīng)力鋼絞線在經(jīng)歷高溫時(shí)的性能變化及火災(zāi)后的損傷評(píng)估與修復(fù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在高溫下的安全性能研究具有十分重要的意義。

1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線高溫性能國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

火災(zāi)是發(fā)生頻率極高的災(zāi)害之一，預(yù)應(yīng)力建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)歷火災(zāi)后，輕則影響結(jié)構(gòu)的耐久性，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，失去承載能力發(fā)生破壞。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線所受的溫度會(huì)迅速升高到1000℃左右。因此，在高溫和外力的雙重作用下，材料自身性能和構(gòu)件耐久性會(huì)出現(xiàn)較大的下降[1]。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線已經(jīng)處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，具有一定的應(yīng)力歷史，因此高溫對(duì)預(yù)應(yīng)力材料會(huì)產(chǎn)生比普通材料更大的影響，預(yù)應(yīng)力鋼絞線出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)力重分布，并且伴隨著較大的蠕變變形，因此在對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火設(shè)計(jì)時(shí)，高溫蠕變是計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失不能忽視的重要因素[2]。

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

Kodur 通過研究發(fā)現(xiàn)[3]在加荷載恒定，溫度升高情況下，鋼筋的蠕變發(fā)生在溫度超過其熔點(diǎn)的30%時(shí)，即當(dāng)鋼筋承受的溫度超過400℃時(shí)，就應(yīng)該考慮鋼筋高溫下發(fā)生的蠕變。Day 等[4]對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行了高溫下的蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明在400℃高溫下，預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)力水平達(dá)到0.6，鋼絲發(fā)生斷裂。其主要原因是由于高溫使鋼絲產(chǎn)生了蠕變，引起了較大的預(yù)應(yīng)力損失。因此，研究預(yù)應(yīng)力鋼絞線高溫力學(xué)性能不可以忽視蠕變的作用。Abrams[5]等通過對(duì)1860MPa 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的高溫性能研究，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)較高的540℃高溫情況下，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的殘余強(qiáng)度變化極其小。Abrams 通過改變溫度和樣本的受熱時(shí)間對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的微硬度進(jìn)行了進(jìn)一步試驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度持續(xù)升高或受熱時(shí)間增加時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的硬度會(huì)隨之降低。Holmes 等[6]通過試驗(yàn)研究了1×7 鋼絞線在溫度從20℃升到700℃時(shí)的性能參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)在較高溫度時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降，而軟鋼的強(qiáng)度下降幅度要小于預(yù)應(yīng)力鋼絞線，同時(shí)Holmes 指出當(dāng)溫度達(dá)到一定范圍時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的殘余強(qiáng)度不會(huì)再隨著截面尺寸的變化而發(fā)生改變。最早的預(yù)應(yīng)力鋼絞線高溫蠕變理論由Dorn[7]提出，但是他提出的材料蠕變模型是一種較為理想化的模型，是基于由溫度變化引起的蠕變能量是連續(xù)性的假設(shè)，并不是真實(shí)的反應(yīng)蠕變狀態(tài)。Harmathy[8]對(duì)Dorn 的理論進(jìn)行了總結(jié)和完善，提出了如下蠕變公式：

1970 年Harmathy 等[9]對(duì)1725 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行高溫蠕變?cè)囼?yàn)，該試驗(yàn)得到了1725 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為400℃時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲的極限強(qiáng)度發(fā)生明顯的下降。據(jù)此，Harmathy 首次提出在經(jīng)歷高溫時(shí)，鋼材微觀結(jié)構(gòu)的改變對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲力學(xué)性會(huì)產(chǎn)生較大影響。Lie[10]通過總結(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果，建立了高溫下熱軋鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型：

式中，（εT）s為鋼的熱膨脹總應(yīng)變，ε 為柱軸向應(yīng)變，為柱彎曲引起的應(yīng)變。但該模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線缺少下降段，因此模型適用性有限。

一些規(guī)范根據(jù)以上研究成果規(guī)定了預(yù)應(yīng)力鋼絞線在高溫下的力學(xué)性能指標(biāo)，如PCI[11]、EN 1992[12]等，但這些規(guī)定所基于的理論仍存在不足之處。但由于EN 1992 規(guī)范的鋼絞線力學(xué)模型缺少了應(yīng)力強(qiáng)化階段，不能真實(shí)地反映鋼絞線高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此在非高溫下EN 1992 規(guī)范建議的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度取值較為合理，而高溫下規(guī)范建議的鋼絞線極限應(yīng)變?nèi)≈档陀谠囼?yàn)值。而美國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范中鋼絞線高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變模型缺少考慮鋼絞線在高溫下的蠕變對(duì)鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)多種預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行高溫試驗(yàn)，通過分析總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，得到了預(yù)應(yīng)力鋼絞線在經(jīng)歷高溫前后的力學(xué)規(guī)律，并建立了不同的力學(xué)模型。范進(jìn)等[13]對(duì)32 根1860 級(jí)1×7 預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行了高溫下及高溫后的拉伸試驗(yàn)，通過測(cè)試預(yù)應(yīng)力鋼絞線在不同溫度下的各種力學(xué)性能指標(biāo)，經(jīng)回歸分析后建立了高溫下預(yù)應(yīng)力鋼絞線的力學(xué)模型：

極限強(qiáng)度為：

名義屈服強(qiáng)度為：

彈性模量為：

式中：T 為溫度；σbT、σ0.2T和EsT分別為溫度T 下的力學(xué)性能指標(biāo)；σb、σ0.2和Es分別為室溫下的力學(xué)性能指標(biāo)。

2004 年范進(jìn)[14]對(duì)1860 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行了進(jìn)一步研究，首先將樣本加熱到一定的高溫，然后再通過不同的方式將其冷卻。從而得到了不同冷卻方式對(duì)高溫預(yù)應(yīng)力鋼絞線力學(xué)性能的影響規(guī)律，并由此建立了高溫后預(yù)應(yīng)力鋼絞線的力學(xué)模型：

極限強(qiáng)度為：

屈服強(qiáng)度為：

彈性模量為：

式中：t 為溫度；σbt、σ0.2t和Est分別為鋼絞線經(jīng)過高溫t 作用后的力學(xué)性能指標(biāo)；σb、σ0.2和Es分別為鋼絞線在常溫時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)。

鄭文忠等[15-17]通過對(duì)1770 級(jí)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線和1860 級(jí)鋼絞線中絲施加高溫，通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線在經(jīng)歷高溫時(shí)和高溫后的力學(xué)性能變化規(guī)律，建立了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的高溫力學(xué)性能模型：

極限強(qiáng)度為：

條件屈服強(qiáng)度為：

彈性模量為：

式中：fb(T)、f0.2(T)和Es(T)分別為預(yù)應(yīng)力鋼絞線在溫度T 的力學(xué)性能指標(biāo)；fb、f0.2和Es分別為常溫下的力學(xué)性能指標(biāo)。

高溫后預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限強(qiáng)度：

高溫后預(yù)應(yīng)力鋼絞線屈服強(qiáng)度：

高溫后預(yù)應(yīng)力鋼絲彈性模量：

鄭文忠等在對(duì)1860 級(jí)鋼絞線中絲進(jìn)行高溫試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量可以用1770 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲的力學(xué)模型來表達(dá)，并且略偏于安全。通過與高溫下及高溫后1770 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了高溫下該種鋼絞線中絲蠕變曲線方程：

2019 年杜詠等[18-20]通過對(duì)1670 級(jí)7×7 平行鋼絲束進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并對(duì)1860 級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)，進(jìn)一步完善了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絞線高溫下基本力學(xué)性能體系：

高溫下預(yù)應(yīng)力鋼絞線極限強(qiáng)度：

高溫下預(yù)應(yīng)力鋼絞線名義屈服強(qiáng)度：

高溫下預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量：

并通過1860 級(jí)鋼絞線的高溫蠕變?cè)囼?yàn)提出了蠕變方程：

2 結(jié)語

國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在高溫下的力學(xué)性能開展了大量試驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。但是，研究依然存在一定的局限性：

⑴測(cè)試的鋼絞線試件數(shù)量較少，普適性較低；

⑵由于變形較難測(cè)量，針對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在應(yīng)力-溫度耦合作用下力學(xué)性能的研究較少，尤其對(duì)蠕變變形方面的研究更少；

⑶國(guó)內(nèi)外開展的高溫下鋼絞線性能試驗(yàn)，很多采用的是鋼絞線中絲，采用整個(gè)鋼絞線的試驗(yàn)較少，測(cè)試結(jié)果可能高估其性能。

因此，在進(jìn)一步研究鋼絞線的高溫性能和推廣工程應(yīng)用方面，仍有許多工作要做：

⑴對(duì)經(jīng)受高溫的預(yù)應(yīng)力鋼絞線試件進(jìn)行有限元模擬分析，從理論上深入研究預(yù)應(yīng)力材料的蠕變變形和抗火性能；

⑵開展火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力鋼絞線性能的鑒定，以及對(duì)經(jīng)受火災(zāi)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固處理措施的研究，結(jié)合工程背景，將理論研究應(yīng)用到實(shí)際工程中。