鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫下抗拉性能試驗(yàn)研究

樓國(guó)彪 ，侯婧 ，戚洪輝 ?，宋戰(zhàn)輝

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

熱鑄錨節(jié)點(diǎn)是鋼絞線、平行鋼絲束等預(yù)應(yīng)力索體最常用的錨固連接方式之一，在常溫下具有良好的抗拉性能，廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中索體的錨固.熱鑄錨制作工藝簡(jiǎn)單，一般采用熔點(diǎn)較低的鋅銅合金作為填充材料，在索體插入錨杯后灌入填充材料，至冷卻即可.由于鋅銅合金熔點(diǎn)較低（約460 ℃±10 ℃），高溫下容易發(fā)生合金高溫軟化甚至熔化，導(dǎo)致錨固節(jié)點(diǎn)失效，繼而引起構(gòu)件失效，甚至結(jié)構(gòu)倒塌.因此，索體錨固節(jié)點(diǎn)是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中抗火極為薄弱的環(huán)節(jié).

火災(zāi)是最頻繁、后果極為嚴(yán)重的建筑安全災(zāi)害之一［1］.眾多學(xué)者測(cè)定了鋼絞線［2-5］、平行鋼絲束［6-8］和高釩索［9-10］等不同種類索體高溫下的力學(xué)性能.杜詠等［2］比較了不同文獻(xiàn)中鋼絞線的高溫力學(xué)性能，提出了鋼絞線的力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度升高的折減系數(shù).Du 等［6］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫下平行鋼絲束的熱膨脹和極限應(yīng)變比鋼絞線大，但比例極限高溫折減系數(shù)比鋼絞線小.ACI 216.1-14［11］和BS EN 1992-1-2［12］等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中給出了預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線高溫下的抗拉性能指標(biāo)取值建議.

然而，目前對(duì)預(yù)應(yīng)力索體錨固節(jié)點(diǎn)在高溫（火災(zāi)）下的抗拉性能研究較少.Oplatka 等［13］對(duì)金屬填充材料錨固節(jié)點(diǎn)的高溫抗拉性能進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫下錨固節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生“滑脫”并失效，與郭劉潞等［14］研究結(jié)果一致.Ridge等［15］開展了銅鋅合金熱鑄錨的高溫抗拉性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)錨具失效的臨界溫度在210～223 ℃之間，在火災(zāi)下錨固節(jié)點(diǎn)溫度容易達(dá)到該臨界溫度引起節(jié)點(diǎn)失效，因此需要引起重視.朱美春等［16］和杜詠等［17］通過瞬態(tài)試驗(yàn)測(cè)定了不同類型錨固節(jié)點(diǎn)的臨界溫度，但沒有考慮荷載比對(duì)臨界溫度的影響.張英杰［18］開展了高溫下密閉索和高釩索錨固節(jié)點(diǎn)抗拉性能研究，提出了高溫下錨固節(jié)點(diǎn)黏結(jié)強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式.

目前，尚缺乏荷載比對(duì)鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)臨界溫度影響的定量研究.為研究預(yù)應(yīng)力鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫下的抗拉性能，本文進(jìn)行了18 個(gè)試件試驗(yàn)，得到了熱鑄錨節(jié)點(diǎn)在高溫下的破壞模式、破壞溫度以及拉力-位移曲線，給出了高溫下熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫承載力、極限位移、臨界溫度的計(jì)算方法，可用于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)抗火性能研究與防火設(shè)計(jì).

1 熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫抗拉性能試驗(yàn)方案

1.1 試件

預(yù)應(yīng)力鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫抗拉性能試驗(yàn)的試件如圖1 所示，熱鑄錨具采用圓柱體錨杯，填充材料為鋅銅合金.試驗(yàn)用鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，截面面積為139 mm2，名義抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa.試件采用的熱鑄錨錨杯的主要尺寸如下：錨杯外徑D1為70 mm、錨杯內(nèi)徑D2為42 mm、杯口直徑D3為26 mm，錨杯長(zhǎng)度L為70 mm.

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線熱鑄錨具Fig.1 Hot casting sockets for prestressing twisted wire strands

由于鋅銅合金的熔點(diǎn)約為460 ℃，因此試件的試驗(yàn)溫度點(diǎn)確定為室溫（20 ℃）、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、440 ℃，每個(gè)試驗(yàn)溫度均有2個(gè)試件，共計(jì)18個(gè)試件.

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)備

試驗(yàn)裝置如圖2 所示，由高溫爐、加載設(shè)備、力傳感器和受力支架組成.高溫爐為YFFK443/10QK-3GC 非標(biāo)電阻爐，爐膛尺寸為1.0 m×1.0 m×1.2 m.該高溫爐最高溫度可達(dá)1 000 ℃，最大功率為30 kW，可實(shí)現(xiàn)不同升溫速率及恒溫時(shí)間.加載設(shè)備采用YCW100B 型穿心式千斤頂，最大頂推力為100 t，張拉行程為200 mm.力傳感器采用LF-2B-30T100T壓力傳感器，量程為100 t，精度可達(dá)0.05%FS.

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test set-up

1.3 試驗(yàn)方法

試件錨杯直徑為70 mm，溫度不容易均勻，因此采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，即先進(jìn)行升溫，在達(dá)到試驗(yàn)溫度后恒溫一定的時(shí)間，待試件溫度不再變化后，再進(jìn)行加載至破壞，具體如下：

1）安裝熱鑄錨節(jié)點(diǎn)試件，通過預(yù)加載以消除試件與裝置間的縫隙.預(yù)加載速率為25 kN/min，預(yù)加載力為鋼絞線理論破斷力的15%，然后卸載至約3 kN.試驗(yàn)過程中保持3 kN預(yù)應(yīng)力使試件固定.

2）預(yù)加載完成后進(jìn)入升溫階段，對(duì)試件進(jìn)行升溫，升溫速率為15 ℃/min，在達(dá)到試驗(yàn)溫度點(diǎn)后恒溫，確保試件溫度穩(wěn)定后進(jìn)行加載.試件溫度是否達(dá)到恒溫，以熱電偶實(shí)測(cè)溫度為準(zhǔn)，判定標(biāo)準(zhǔn)為5 min內(nèi)溫度變化不大于2 ℃.

3）采用分級(jí)加載方法加載，在初始階段按25 kN（約為10%鋼絞線常溫理論破斷力）分級(jí)施加荷載，每施加一級(jí)荷載后，恒載90 s，觀察位移變化；當(dāng)荷載-位移曲線呈現(xiàn)非線性特征后，按5 kN分級(jí)施加荷載，直至試件破壞.

1.4 試驗(yàn)測(cè)量

試驗(yàn)全過程實(shí)時(shí)測(cè)量試件的拉力、位移和溫度以及爐溫.

1）試件拉力通過壓力傳感器量測(cè)并記錄.

2）試件的位移采用位移計(jì)在爐外測(cè)量，避免了高溫對(duì)位移計(jì)的影響.位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置在受力支架的3 個(gè)面上，如圖3 所示，試件位移取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)位移值的平均值.

圖3 位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Location of displacement meters

3）試件溫度通過在錨具內(nèi)預(yù)埋熱電偶獲取，如圖4 所示，共計(jì)2 個(gè)K 型熱電偶，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)溫度取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)結(jié)果的平均值.爐溫由試驗(yàn)爐自身的測(cè)溫系統(tǒng)量測(cè).

圖4 熱鑄錨節(jié)點(diǎn)內(nèi)熱電偶布置Fig.4 Location of thermal couples in the hot casting anchorages

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 為預(yù)應(yīng)力鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)耐火性能試驗(yàn)結(jié)果匯總表.表中極限承載力指鋼絞線發(fā)生破壞時(shí)的拉力，極限位移指鋼絞線發(fā)生破壞時(shí)的位移.可見，隨著溫度升高，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限承載力和極限位移均下降，說明高溫使得熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的受力性能和延性產(chǎn)生了衰減.

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表Tab.1 Summary of the test results

由表1 可見，同一試驗(yàn)工況下部分試件的極限承載力有一定的離散性.這是由于：1）熱鑄錨具在加工過程中需要分絲、定位等工藝流程，鋼絞線各鋼絲受力狀態(tài)差異較大；2）澆鑄用合金的均勻性也會(huì)導(dǎo)致承載力的差異.這些生產(chǎn)過程中的差異會(huì)導(dǎo)致鋼絞線鋼絲的受力不均，某根鋼絲將會(huì)提前破斷或者與合金滑動(dòng)，使得鋼絞線的極限承載力產(chǎn)生波動(dòng).

同一試驗(yàn)工況下部分試件的極限位移有一定的離散性，這是由于某根鋼絲提前破斷或與合金滑動(dòng)而判定失效的試件未能充分拉伸，導(dǎo)致其極限位移出現(xiàn)波動(dòng).在實(shí)際工程中，采用該種錨具形式的鋼絞線應(yīng)存在同樣的問題，需引起重視.

2.1 試件溫度

由表1 可知，爐內(nèi)溫度與設(shè)定溫度吻合，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)試件溫度略低于爐溫，在后文分析溫度對(duì)熱鑄錨節(jié)點(diǎn)耐火性能的影響時(shí)以熱鑄錨節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度為準(zhǔn).

2.2 破壞模式

圖5 給出了兩種典型的破壞模式.當(dāng)熱鑄錨節(jié)點(diǎn)溫度低于200 ℃時(shí)，試件的破壞模式為鋼絞線斷裂，斷裂位置均出現(xiàn)在錨固端處，但具體破壞在試件試驗(yàn)端或非試驗(yàn)端無規(guī)律，這是由于在錨具端處預(yù)應(yīng)力索受力并非單向受拉狀態(tài)，而是接近三向受力狀態(tài).

圖5 熱鑄錨節(jié)點(diǎn)破壞模式Fig.5 Failure modes of hot casting anchorages

鋼絞線試件由7 根鋼絲絞合而成，當(dāng)鋼絞線拉力達(dá)到破斷力后，一般某一根鋼絲先斷裂，鋼絞線拉力驟然下降，繼續(xù)加載，鋼絞線拉力會(huì)繼續(xù)升高，繼而第二根鋼絲破斷，直至所有鋼絲破斷.

當(dāng)熱鑄錨節(jié)點(diǎn)溫度超過200 ℃時(shí)，試件的破壞模式通常為鋼絞線滑脫，這是由于包裹鋼絞線的鋅銅合金在高溫下發(fā)生軟化，預(yù)應(yīng)力索與合金之間的黏結(jié)力、摩擦力和咬合力減小，導(dǎo)致鋼絞線在拉力作用下從錨杯中發(fā)生滑移.當(dāng)預(yù)應(yīng)力索明顯滑移后，鋼絞線拉力會(huì)緩慢降低，直至鋼絞線完全從錨杯中脫出.

2.3 拉力-位移曲線

恒溫階段對(duì)試件進(jìn)行分級(jí)加載，其拉力-位移關(guān)系如圖6 所示，每種爐溫下選取一個(gè)試件結(jié)果，圖中溫度為該試件對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)溫度.可見：1）在加載前期，試件變形主要是鋼絞線的拉伸彈性變形，在施加一級(jí)荷載后的恒載階段內(nèi)幾乎不產(chǎn)生位移，鋼絞線未與合金發(fā)生滑移；2）在加載后期，無論試件破壞形式為鋼絞線斷裂還是滑脫，均發(fā)生了較大的位移變化，在施加一級(jí)荷載后的恒載階段產(chǎn)生了明顯位移.并且，加載后期的恒載階段產(chǎn)生的位移量隨著溫度升高而增大.

圖6 高溫下熱鑄錨節(jié)點(diǎn)試件的拉力-位移關(guān)系Fig.6 Tensile force-displacement relationship of hot casting anchorages at elevated temperatures

當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度不高于150 ℃時(shí)，溫度對(duì)試件的抗拉極限承載力影響較小；當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度高于150 ℃時(shí)，試件的抗拉極限承載力隨溫度升高開始顯著減小.這是由于溫度超過150 ℃時(shí)，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋅銅合金材性隨溫度升高而衰減，導(dǎo)致鋼絞線與錨具間握裹力減小.

當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度不高于300 ℃時(shí)，溫度對(duì)試件的最大位移影響較小，這是由于試件的位移主要為鋼絞線的拉伸變形；當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度高于300 ℃時(shí)，試件的最大位移隨溫度升高而顯著減小，這是由于鋅銅合金軟化，高溫下鋼絞線與合金間握裹力小于該溫度下鋼絞線的抗拉承載力，鋼絞線還未進(jìn)入頸縮階段，因此拉伸變形小.

2.4 極限抗拉承載力

預(yù)應(yīng)力鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)試件在高溫下的極限抗拉承載力折減系數(shù)kF如圖7 所示.當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí)，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限抗拉承載力變化很小，在139 ℃時(shí)的極限抗拉承載力與常溫時(shí)相差2.2%.

圖7 kF-T試驗(yàn)值與擬合公式比較Fig.7 Comparison of the kF-T relationship between tests and the fitting formula

當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限承載力開始下降，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到236 ℃、287 ℃、340 ℃、392 ℃和425 ℃時(shí)極限承載力只有常溫時(shí)的86.9%、77.3%、39%、35.2%和10.5%.這是由于鋼絞線與錨具的握裹力隨溫度升高而減小，導(dǎo)致熱鑄錨節(jié)點(diǎn)失效，進(jìn)而使得試件失效.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫下極限抗拉承載力折減系數(shù)kF擬合公式如下：

式（1）下降段的回歸系數(shù)R2=0.912 7，具有較好的擬合度.

根據(jù)鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的常溫下極限抗拉承載力和高溫下極限抗拉承載力折減系數(shù)，即可獲得節(jié)點(diǎn)的高溫下極限抗拉承載力.

2.5 極限位移

熱鑄錨節(jié)點(diǎn)高溫下的極限位移Du如圖8 所示.可見，當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，試件的極限位移在43 mm 附近波動(dòng)，在139 ℃時(shí)其極限位移比常溫下大72.8%，而在86 ℃和225 ℃時(shí)其極限位移分別比常溫下小31.4%和81.4%，這是由于制造試件的工藝流程不穩(wěn)定導(dǎo)致的離散性.

圖8 Du-T試驗(yàn)值與擬合公式比較Fig.8 Comparison of the Du-T relationship between tests and the fitting formula

當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限位移開始下降，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到340 ℃、382 ℃和425 ℃時(shí)極限位移分別只有常溫時(shí)的59.7%、67.3% 和19.3%.

極限位移包括鋼絞線的拉伸變形、鋼絞線與合金間滑移.溫度較低時(shí)，鋅銅合金軟化程度低，鋼絞線與合金間握裹力足夠大，試件的位移主要為鋼絞線的拉伸變形.溫度較高時(shí)，鋅銅合金軟化，鋼絞線與合金間握裹力小于該溫度下鋼絞線的抗拉承載力，鋼絞線還未進(jìn)入頸縮階段，因此拉伸變形小，試件的位移主要為鋼絞線與合金間滑移.鋼絞線與合金間滑移一旦突破臨界點(diǎn)，試件承載力很快喪失，導(dǎo)致鋼絞線高溫下的極限位移比溫度較低時(shí)小.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限位移Du擬合公式，如式（2）：

式（2）下降段的回歸系數(shù)R2=0.725 1，與試驗(yàn)值比較發(fā)現(xiàn)，擬合結(jié)果可以較好地反映熱鑄錨節(jié)點(diǎn)極限位移的變化趨勢(shì).

3 臨界溫度與防火設(shè)計(jì)

從前述試驗(yàn)研究可知，鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)在340 ℃、425 ℃時(shí)的極限抗拉承載力分別只有常溫的39%和10.5%，因此在火災(zāi)下容易出現(xiàn)破壞.為了保證其安全，可采用防火保護(hù)，延緩熱鑄錨節(jié)點(diǎn)火災(zāi)下升溫，使其在設(shè)計(jì)要求的耐火極限時(shí)間內(nèi)將溫度控制在某一溫度以下，確保其能夠承受外部荷載作用.

從破壞模式角度，當(dāng)溫度低于200 ℃時(shí)，試件破壞模式為鋼絞線斷裂，表明熱鑄錨節(jié)點(diǎn)能提供足夠的錨固作用；當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，試件破壞模式為鋼絞線滑脫，表明熱鑄錨節(jié)點(diǎn)將先于鋼絞線失效.

從極限承載力角度，當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí)，試件的極限承載力受溫度影響很小；在181 ℃時(shí)，試件的極限承載力下降至常溫的83.6%，考慮到最終破壞模式為鋼絞線斷裂，因此極限承載力下降是由于高溫下鋼絞線的抗拉性能下降.當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí)，試件的極限承載力下降，是由于高溫下熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的抗拉性能顯著衰減.

綜合以上，本文提出基于極限承載力確定鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的臨界溫度.由式（1）可以得到在確定荷載比下所對(duì)應(yīng)的臨界溫度，見表2.

表2 鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)臨界溫度匯總Tab.2 Summary of the critical temperature of the anchorage

當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度超過臨界溫度時(shí)，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)將先于鋼絞線失效，使得鋼絞線失去錨固而破壞.在對(duì)鋼絞線進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)鋼絞線的荷載比按表2確定熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的臨界溫度，進(jìn)而利用火災(zāi)下鋼構(gòu)件升溫計(jì)算方法，確定熱鑄錨節(jié)點(diǎn)所需要的防火保護(hù)層厚度.

4 結(jié)論

本文對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了高溫抗拉性能試驗(yàn)，獲得了高溫下試件的破壞模式和抗拉承載力，進(jìn)而給出了高溫下抗拉承載力計(jì)算方法和臨界溫度表.

1）溫度低于200 ℃時(shí)，破壞模式為鋼絞線斷裂；溫度高于200 ℃時(shí)，破壞模式通常為鋼絞線滑脫.在加載前期，試件變形主要是鋼絞線的拉伸變形；在加載后期，溫度相對(duì)較低時(shí)試件變形主要是鋼絞線的拉伸變形，溫度相對(duì)較高時(shí)試件變形主要是鋼絞線與合金間滑移.

2）溫度為150～440 ℃時(shí)，鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限抗拉承載力隨溫度升高而降低，287 ℃、340 ℃、392 ℃和425 ℃時(shí)的極限承載力分別為常溫時(shí)的77.3%、39%、35.2%和10.5%.溫度為300～430 ℃時(shí)，熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的極限位移隨溫度升高而降低，340 ℃、382 ℃和425 ℃時(shí)的極限位移為常溫的59.7%、67.3%和19.3%.

3）提出了鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)在高溫下極限抗拉承載力折減系數(shù)，以及在各荷載比下的臨界溫度，可用于所有鋼絞線熱鑄錨節(jié)點(diǎn)的抗火承載力驗(yàn)算與防火保護(hù)層厚度設(shè)計(jì).