預應力鋼絞線高溫力學性能研究進展

廖 濱 胡煥偉 仇 實

（中建八局第二建設有限公司廣東公司）

0 引言

隨著預應力混凝土理論的不斷進步與發展，近年來，預應力結構和材料越來越多被用在許多重要的工程中。作為預應力結構中的關鍵部件，預應力鋼絞線在經歷高溫時的性能變化及火災后的損傷評估與修復成為人們關注的焦點。因此，對預應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 預應力鋼絞線高溫性能國內外研究進展

火災是發生頻率極高的災害之一，預應力建筑結構經歷火災后，輕則影響結構的耐久性，嚴重會導致結構失穩，失去承載能力發生破壞?；馂陌l生時，預應力鋼絞線所受的溫度會迅速升高到1000℃左右。因此，在高溫和外力的雙重作用下，材料自身性能和構件耐久性會出現較大的下降[1]。由于預應力鋼絞線已經處于較高的應力狀態，具有一定的應力歷史，因此高溫對預應力材料會產生比普通材料更大的影響，預應力鋼絞線出現嚴重的內力重分布，并且伴隨著較大的蠕變變形，因此在對預應力結構進行耐火設計時，高溫蠕變是計算預應力鋼絞線預應力損失不能忽視的重要因素[2]。

1.1 國外研究進展

Kodur 通過研究發現[3]在加荷載恒定，溫度升高情況下，鋼筋的蠕變發生在溫度超過其熔點的30%時，即當鋼筋承受的溫度超過400℃時，就應該考慮鋼筋高溫下發生的蠕變。Day 等[4]對預應力鋼絲進行了高溫下的蠕變試驗，結果表明在400℃高溫下，預應力鋼絲應力水平達到0.6，鋼絲發生斷裂。其主要原因是由于高溫使鋼絲產生了蠕變，引起了較大的預應力損失。因此，研究預應力鋼絞線高溫力學性能不可以忽視蠕變的作用。Abrams[5]等通過對1860MPa 級預應力鋼絞線的高溫性能研究，發現在相對較高的540℃高溫情況下，預應力鋼絞線的殘余強度變化極其小。Abrams 通過改變溫度和樣本的受熱時間對預應力鋼絞線的微硬度進行了進一步試驗，從而發現當溫度持續升高或受熱時間增加時，預應力鋼絞線的硬度會隨之降低。Holmes 等[6]通過試驗研究了1×7 鋼絞線在溫度從20℃升到700℃時的性能參數變化，發現在較高溫度時，預應力鋼絞線強度出現明顯的下降，而軟鋼的強度下降幅度要小于預應力鋼絞線，同時Holmes 指出當溫度達到一定范圍時，預應力鋼絞線的殘余強度不會再隨著截面尺寸的變化而發生改變。最早的預應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性的假設，并不是真實的反應蠕變狀態。Harmathy[8]對Dorn 的理論進行了總結和完善，提出了如下蠕變公式：

1970 年Harmathy 等[9]對1725 級預應力鋼絞線進行高溫蠕變試驗，該試驗得到了1725 級預應力鋼絲的應力-應變曲線，通過進一步分析發現當溫度為400℃時，預應力鋼絲的極限強度發生明顯的下降。據此，Harmathy 首次提出在經歷高溫時，鋼材微觀結構的改變對預應力鋼絲力學性會產生較大影響。Lie[10]通過總結以上試驗結果，建立了高溫下熱軋鋼筋的應力-應變曲線模型：

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

一些規范根據以上研究成果規定了預應力鋼絞線在高溫下的力學性能指標，如PCI[11]、EN 1992[12]等，但這些規定所基于的理論仍存在不足之處。但由于EN 1992 規范的鋼絞線力學模型缺少了應力強化階段，不能真實地反映鋼絞線高溫下的應力-應變關系，因此在非高溫下EN 1992 規范建議的屈服強度與極限強度取值較為合理，而高溫下規范建議的鋼絞線極限應變取值低于試驗值。而美國規范與歐洲規范中鋼絞線高溫下的應力-應變模型缺少考慮鋼絞線在高溫下的蠕變對鋼筋的力學性能產生的影響。

1.2 國內研究進展

國內研究人員對多種預應力鋼絞線進行高溫試驗，通過分析總結試驗結果，得到了預應力鋼絞線在經歷高溫前后的力學規律，并建立了不同的力學模型。范進等[13]對32 根1860 級1×7 預應力鋼絞線進行了高溫下及高溫后的拉伸試驗，通過測試預應力鋼絞線在不同溫度下的各種力學性能指標，經回歸分析后建立了高溫下預應力鋼絞線的力學模型：

極限強度為：

名義屈服強度為：

彈性模量為：

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

2004 年范進[14]對1860 級預應力鋼絞線進行了進一步研究，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高溫預應力鋼絞線力學性能的影響規律，并由此建立了高溫后預應力鋼絞線的力學模型：

極限強度為：

屈服強度為：

彈性模量為：

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

鄭文忠等[15-17]通過對1770 級低松弛預應力鋼絞線和1860 級鋼絞線中絲施加高溫，通過預應力鋼絞線在經歷高溫時和高溫后的力學性能變化規律，建立了預應力鋼絞線的高溫力學性能模型：

極限強度為：

條件屈服強度為：

彈性模量為：

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

高溫后預應力鋼絞線極限強度：

高溫后預應力鋼絞線屈服強度：

高溫后預應力鋼絲彈性模量：

鄭文忠等在對1860 級鋼絞線中絲進行高溫試驗后發現，其極限強度、屈服強度和彈性模量可以用1770 級預應力鋼絲的力學模型來表達，并且略偏于安全。通過與高溫下及高溫后1770 級預應力鋼絲的試驗進行對比分析，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1670 級7×7 平行鋼絲束進行高溫力學性能試驗研究，并對1860 級預應力鋼絞線進行高溫力學性能試驗，進一步完善了預應力高強鋼絞線高溫下基本力學性能體系：

高溫下預應力鋼絞線極限強度：

高溫下預應力鋼絞線名義屈服強度：

高溫下預應力鋼絞線彈性模量：

并通過1860 級鋼絞線的高溫蠕變試驗提出了蠕變方程：

2 結語

國內外的許多學者都對預應力鋼絞線在高溫下的力學性能開展了大量試驗研究，并取得了一定的成果。但是，研究依然存在一定的局限性：

⑴測試的鋼絞線試件數量較少，普適性較低；

⑵由于變形較難測量，針對預應力鋼絞線在應力-溫度耦合作用下力學性能的研究較少，尤其對蠕變變形方面的研究更少；

⑶國內外開展的高溫下鋼絞線性能試驗，很多采用的是鋼絞線中絲，采用整個鋼絞線的試驗較少，測試結果可能高估其性能。

因此，在進一步研究鋼絞線的高溫性能和推廣工程應用方面，仍有許多工作要做：

⑴對經受高溫的預應力鋼絞線試件進行有限元模擬分析，從理論上深入研究預應力材料的蠕變變形和抗火性能；

⑵開展火災后預應力鋼絞線性能的鑒定，以及對經受火災的預應力結構進行修復加固處理措施的研究，結合工程背景，將理論研究應用到實際工程中。