作者:张毅
许多学者针对预应力混凝土结构中常用的高强钢丝及钢绞线开展了高温性能试验研究。Day等在20世纪50年代就针对当时英国国内生产的预应力钢丝进行了高温蠕变试验,得到了一些有益结论;范进等通过对预应力钢丝与钢绞线在不同温度下的力学性能试验,得到了两种预应力筋材极限强度、名义屈服强度、弹性模量随温度的变化规律,给出了力学模型。范进等还通过试验研究了预应力钢丝及钢绞线在经历高温作用并冷却至室温后的力学性能。郑文忠等对1770级预应力钢丝进行了高温下及高温后的拉伸试验,得到了去除加载速率影响的高温下钢丝应力一应变关系曲线及钢丝各项力学指标在高温下及高温后的退化规律,建立了高温下及高温后的钢丝应力一应变曲线方程。张昊宇等针对1860级低松弛钢绞线进行了高温下力学性能试验,得到了高温下该种钢绞线中丝极限强度、弹性模量、比例极限、条件屈服强度的计算公式和蠕变计算公式。周焕廷等对1860级钢绞线高温下的力学性能进行了试验研究,根据试验数据回归出能够用于理论分析的钢绞线高温性能模型。
以上国内外研究成果为预应力结构抗火研究积累了宝贵的基础性数据。应该指出的是,随着钢绞线生产工艺的改进,其性能亦在不断提高;同时限于当时试验条件限制的原因,比如钢绞线端部的夹持及拉伸力的精确施加、应变的测量及精度等问题,钢绞线高温力学性能的试验方案仍需要进一步改进和完善。本文从同一根钢绞线边丝中截取钢丝试件进行高温下拉伸试验,在对试件制作方法进行改进的基础上,通过高温性能试验得到钢绞线高温材性模型,并试验结果进行了对比分析,以期为预应力结构抗火性能分析提供参考。
1试验方案
1.1 试验设备
试验设备采用MTS材料试验系统(如图1所示),其中加载设备为300kN MTS电液伺服万能材料试验机,试验机力传感器的测量精度为0.01kN,位移传感器的测量精度为0.01mm;加热设备为JGW1100高温炉,高温炉炉膛长350mm,内径50mm,均温带长150mm,额定功率为5kW,最高温度可达1100℃,温度精度±2℃,炉内设有上、中、下3组加热单元,并同时配有3个热电偶。高温炉的下部为应变引伸计及与其配套的导架预留了足够空间,以满足试验要求。应变采用应变引伸计测量,常温应变引伸计的测量范围为±0. 05,精度为5×10-5。高温应变引伸计测量标距为25mm,应变测量范围为±0. 03,精度为3x10-6。
1.2 试件制备
从钢绞线边丝中截取的钢丝不同于普通的钢材,试件形状无法按照《金属材料高温拉伸试验方法》( GB/T 4338-2006)进行机加工制备,因此试件从同一根钢绞线边丝上取样后按不经机加工棒材试样进行试验。同时,试件的试样为非比例试样。
考虑到加载设备的夹头会对试件的夹持段产生咬伤,同时夹持段又处于三向复杂受力状态,从而使得夹持段成为薄弱环节,为了减少该部分对试验结果的影响,试件在制备时对夹持段采取加强措施,即通过整体浇铸和机械压制相结合的方法以增大夹持段的截面,制备的试件如图2所示。
按照上述制备方法,共制备16根试件,进行高温下的拉伸试验。
1.3 试验制度
16根试件分成2组,每组试件有8个温度水平,分别为20℃、100 0C、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。
试验开始时先将高温炉按设定升温速率升至预定温度水平并保温15min,该阶段应保证试件能够自由伸缩,然后固定试件两端进行加载,加载过程温度保持恒定,加载速率为3 mm/min。
2 高温下试验结果与分析
2.1试验曲线与破坏现象
图3为高温下实测试件应力一应变关系曲线,图4为高温下实测试件力,位移关系曲线。从图3和图4实测结果可以看出,随着温度的升高,钢丝试件的强度逐渐降低,试件的延伸率逐渐增大。
通过对钢绞线钢丝试件拉伸破断过程的观察发现,加热温度水平为20℃和100℃时,试件宏观伸长量不明显,试件破断时有明显的脆断声,破断截面的颜色呈银灰色;加热温度水平为200℃和300℃时,试件宏观的伸长量也不明显,试件破断时有明显的脆断声,截面颜色变为蓝灰色;当温度水平达到400℃时,试件宏观的伸长量变得明显,破断截面颜色呈深蓝色;温度水平达到500℃以上时,试件宏观的伸长量变得非常明显,试件破断时无明显的脆断声,截面颜色呈黑色。
2.2弹性模量及屈服强度的定义
钢绞线钢丝的弹性模量统一取应力一应变曲线初始段斜率。常温条件下屈服强度则统一取应力.应变曲线中0.2%残余应变对应值,高温条件下屈服强度的取值目前尚未有明确统一的定义和规定,多数学者仍取0. 2%残余应变对应值作为屈服强度,部分学者则参考EC3和BS5950B PART8的建议,取1%或2%应变水平对应的应力作为屈服强度。考虑到钢绞线钢丝材质的特点,且0. 2%残余应变屈服强度被多数学者接受,本文试验结果仍取0.2%残余应变屈服强度作为高温条件下钢绞线钢丝的屈服强度。
2.3 高温下材性指标退化规律及拟合方程
根据图3实测应力-应变关系曲线,经拟合可得到高温下钢绞线钢丝材性指标退化规律。
2.3.1 极限强度
式中:fh(T)为T℃时钢绞线钢丝极限强度,fb为常温下极限强度,其实测平均值为1893. 15 MPa。公式(1)拟合曲线如图5所示。
2.3.2条件屈服强度
式中:fo2(T)为T℃时钢绞线钢丝条件屈服强度,f0.2为常温下条件屈服强度,其实测平均值为1716. 70MPa。公式(2)拟合曲线如图6所示。
2.3.3 条件屈服点应变
式中:ε0.2(T)为T℃时钢绞线钢丝条件屈服强度点应变,ε0.2为常温下条件屈服强度点应变,其实测平均值为0. 0102。公式(3)拟合曲线如图7所示。
2.3.4 比例极限
式中:σp(T)为T℃时钢绞线钢丝比例极限,σp为常温下比例极限,其实测平均值为1477. 36MPa。公式(4)拟合曲线如图8所示。
2.3.5 弹性模量
式中:Es(T)为T℃时钢绞线钢丝弹性模量,Es为常温下弹性模量,其实测平均值为200. 965GPa。公式(5)拟合曲线如图9所示。
从图5~图9可以看出,本文试验结果测试结果趋势较为一致,但高温下比例极限
及弹性模量测试结果有一些差异,本文试验结果普遍偏高,这可能与试件的制作和测试系统的测试方法有关。
2.4应力·应变关系曲线与拟合方程
为了简化实用起见,高温下应力.应变关系曲线拟合方程采用三折线来表达:第一段由原点至比例极限点,第二段由比例极限点至条件屈服点,第三段为水平段。拟合方程表达式见公式(6),由公式(6)得到的计算曲线与试验曲线的对比结果见图10。
需要说明的是,上述拟合公式适用于温度在700℃范围内的情况。
3 结论
从同一根钢绞线边丝中截取16根钢丝试件进行高温下拉伸试验。试验结果表明,随着温度水平的提高,钢绞线钢丝的各项力学性能指标退化明显,应力一应变关系曲线及力一位移关系曲线的变化趋势趋于平缓。通过对试验数据的拟合,得到了高温下钢绞线力学性能指标退化规律与力学模型,可以为研究预应力结构抗火性能的计算与分析提供参考。
4[摘要]钢绞线高温力学性能是研究预应力结构抗火性能及受火灾后结构损伤鉴定与评估的基础,本文从同一根钢绞线边丝中截取16根钢丝试件进行高温下拉伸试验,得到高温下钢丝试件拉伸的力,位移曲线、应力一应变关系曲线以及屈服强度、极限强度、比例极限、弹性模量与试验温度的关系。试验结果表明,高温下钢绞线钢丝的应力一应变关系曲线随温度升高趋于平缓,力学性能指标随温度升高不断退化。本文试验结果可以为研究预应力结构抗火性能的计算与分析提供参考。
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