一種高溫下1860級鋼絞線鋼絲力學(xué)性能試驗(yàn)
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作者：張毅
許多學(xué)者針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中常用的高強(qiáng)鋼絲及鋼絞線開展了高溫性能試驗(yàn)研究。Day等在20世紀(jì)50年代就針對當(dāng)時(shí)英國國內(nèi)生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行了高溫蠕變試驗(yàn)，得到了一些有益結(jié)論；范進(jìn)等通過對預(yù)應(yīng)力鋼絲與鋼絞線在不同溫度下的力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了兩種預(yù)應(yīng)力筋材極限強(qiáng)度、名義屈服強(qiáng)度、彈性模量隨溫度的變化規(guī)律，給出了力學(xué)模型。范進(jìn)等還通過試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線在經(jīng)歷高溫作用并冷卻至室溫后的力學(xué)性能。鄭文忠等對1770級預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行了高溫下及高溫后的拉伸試驗(yàn)，得到了去除加載速率影響的高溫下鋼絲應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線及鋼絲各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)在高溫下及高溫后的退化規(guī)律，建立了高溫下及高溫后的鋼絲應(yīng)力一應(yīng)變曲線方程。張昊宇等針對1860級低松弛鋼絞線進(jìn)行了高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了高溫下該種鋼絞線中絲極限強(qiáng)度、彈性模量、比例極限、條件屈服強(qiáng)度的計(jì)算公式和蠕變計(jì)算公式。周煥廷等對1860級鋼絞線高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出能夠用于理論分析的鋼絞線高溫性能模型。
以上國內(nèi)外研究成果為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗火研究積累了寶貴的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。應(yīng)該指出的是，隨著鋼絞線生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，其性能亦在不斷提高；同時(shí)限于當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件限制的原因，比如鋼絞線端部的夾持及拉伸力的精確施加、應(yīng)變的測量及精度等問題，鋼絞線高溫力學(xué)性能的試驗(yàn)方案仍需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。本文從同一根鋼絞線邊絲中截取鋼絲試件進(jìn)行高溫下拉伸試驗(yàn)，在對試件制作方法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過高溫性能試驗(yàn)得到鋼絞線高溫材性模型，并試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，以期為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗火性能分析提供參考。
1試驗(yàn)方案
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)設(shè)備采用MTS材料試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1所示），其中加載設(shè)備為300kN MTS電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)力傳感器的測量精度為0.01kN，位移傳感器的測量精度為0.01mm；加熱設(shè)備為JGW1100高溫爐，高溫爐爐膛長350mm，內(nèi)徑50mm，均溫帶長150mm，額定功率為5kW，最高溫度可達(dá)1100℃，溫度精度±2℃，爐內(nèi)設(shè)有上、中、下3組加熱單元，并同時(shí)配有3個(gè)熱電偶。高溫爐的下部為應(yīng)變引伸計(jì)及與其配套的導(dǎo)架預(yù)留了足夠空間，以滿足試驗(yàn)要求。應(yīng)變采用應(yīng)變引伸計(jì)測量，常溫應(yīng)變引伸計(jì)的測量范圍為±0. 05，精度為5×10-5。高溫應(yīng)變引伸計(jì)測量標(biāo)距為25mm，應(yīng)變測量范圍為±0. 03，精度為3x10-6。
1.2 試件制備
從鋼絞線邊絲中截取的鋼絲不同于普通的鋼材，試件形狀無法按照《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》( GB/T 4338-2006)進(jìn)行機(jī)加工制備，因此試件從同一根鋼絞線邊絲上取樣后按不經(jīng)機(jī)加工棒材試樣進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，試件的試樣為非比例試樣。
考慮到加載設(shè)備的夾頭會(huì)對試件的夾持段產(chǎn)生咬傷，同時(shí)夾持段又處于三向復(fù)雜受力狀態(tài)，從而使得夾持段成為薄弱環(huán)節(jié)，為了減少該部分對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試件在制備時(shí)對夾持段采取加強(qiáng)措施，即通過整體澆鑄和機(jī)械壓制相結(jié)合的方法以增大夾持段的截面，制備的試件如圖2所示。
按照上述制備方法，共制備16根試件，進(jìn)行高溫下的拉伸試驗(yàn)。
1.3 試驗(yàn)制度
16根試件分成2組，每組試件有8個(gè)溫度水平，分別為20℃、100 0C、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。
試驗(yàn)開始時(shí)先將高溫爐按設(shè)定升溫速率升至預(yù)定溫度水平并保溫15min，該階段應(yīng)保證試件能夠自由伸縮，然后固定試件兩端進(jìn)行加載，加載過程溫度保持恒定，加載速率為3 mm/min。
2 高溫下試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1試驗(yàn)曲線與破壞現(xiàn)象
圖3為高溫下實(shí)測試件應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，圖4為高溫下實(shí)測試件力，位移關(guān)系曲線。從圖3和圖4實(shí)測結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高，鋼絲試件的強(qiáng)度逐漸降低，試件的延伸率逐漸增大。
通過對鋼絞線鋼絲試件拉伸破斷過程的觀察發(fā)現(xiàn)，加熱溫度水平為20℃和100℃時(shí)，試件宏觀伸長量不明顯，試件破斷時(shí)有明顯的脆斷聲，破斷截面的顏色呈銀灰色；加熱溫度水平為200℃和300℃時(shí)，試件宏觀的伸長量也不明顯，試件破斷時(shí)有明顯的脆斷聲，截面顏色變?yōu)樗{(lán)灰色；當(dāng)溫度水平達(dá)到400℃時(shí)，試件宏觀的伸長量變得明顯，破斷截面顏色呈深藍(lán)色；溫度水平達(dá)到500℃以上時(shí)，試件宏觀的伸長量變得非常明顯，試件破斷時(shí)無明顯的脆斷聲，截面顏色呈黑色。
2.2彈性模量及屈服強(qiáng)度的定義
鋼絞線鋼絲的彈性模量統(tǒng)一取應(yīng)力一應(yīng)變曲線初始段斜率。常溫條件下屈服強(qiáng)度則統(tǒng)一取應(yīng)力．應(yīng)變曲線中0.2%殘余應(yīng)變對應(yīng)值，高溫條件下屈服強(qiáng)度的取值目前尚未有明確統(tǒng)一的定義和規(guī)定，多數(shù)學(xué)者仍取0. 2%殘余應(yīng)變對應(yīng)值作為屈服強(qiáng)度，部分學(xué)者則參考EC3和BS5950B PART8的建議，取1%或2%應(yīng)變水平對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度�？紤]到鋼絞線鋼絲材質(zhì)的特點(diǎn)，且0. 2%殘余應(yīng)變屈服強(qiáng)度被多數(shù)學(xué)者接受，本文試驗(yàn)結(jié)果仍取0.2%殘余應(yīng)變屈服強(qiáng)度作為高溫條件下鋼絞線鋼絲的屈服強(qiáng)度。
2.3 高溫下材性指標(biāo)退化規(guī)律及擬合方程
根據(jù)圖3實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，經(jīng)擬合可得到高溫下鋼絞線鋼絲材性指標(biāo)退化規(guī)律。
2.3.1 極限強(qiáng)度
式中：fh(T)為T℃時(shí)鋼絞線鋼絲極限強(qiáng)度，fb為常溫下極限強(qiáng)度，其實(shí)測平均值為1893. 15 MPa。公式（1）擬合曲線如圖5所示。
2.3.2條件屈服強(qiáng)度
式中：fo2(T)為T℃時(shí)鋼絞線鋼絲條件屈服強(qiáng)度，f0.2為常溫下條件屈服強(qiáng)度，其實(shí)測平均值為1716. 70MPa。公式(2)擬合曲線如圖6所示。
2.3.3 條件屈服點(diǎn)應(yīng)變
式中：ε0.2(T)為T℃時(shí)鋼絞線鋼絲條件屈服強(qiáng)度點(diǎn)應(yīng)變，ε0.2為常溫下條件屈服強(qiáng)度點(diǎn)應(yīng)變，其實(shí)測平均值為0. 0102。公式(3)擬合曲線如圖7所示。
2.3.4 比例極限
式中：σp(T)為T℃時(shí)鋼絞線鋼絲比例極限，σp為常溫下比例極限，其實(shí)測平均值為1477. 36MPa。公式(4)擬合曲線如圖8所示。
2.3.5 彈性模量
式中：Es(T)為T℃時(shí)鋼絞線鋼絲彈性模量，Es為常溫下彈性模量，其實(shí)測平均值為200. 965GPa。公式(5)擬合曲線如圖9所示。
從圖5～圖9可以看出，本文試驗(yàn)結(jié)果測試結(jié)果趨勢較為一致，但高溫下比例極限
及彈性模量測試結(jié)果有一些差異，本文試驗(yàn)結(jié)果普遍偏高，這可能與試件的制作和測試系統(tǒng)的測試方法有關(guān)。
2.4應(yīng)力·應(yīng)變關(guān)系曲線與擬合方程
為了簡化實(shí)用起見，高溫下應(yīng)力．應(yīng)變關(guān)系曲線擬合方程采用三折線來表達(dá)：第一段由原點(diǎn)至比例極限點(diǎn)，第二段由比例極限點(diǎn)至條件屈服點(diǎn)，第三段為水平段。擬合方程表達(dá)式見公式(6)，由公式(6)得到的計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線的對比結(jié)果見圖10。
需要說明的是，上述擬合公式適用于溫度在700℃范圍內(nèi)的情況。
3 結(jié)論
從同一根鋼絞線邊絲中截取16根鋼絲試件進(jìn)行高溫下拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度水平的提高，鋼絞線鋼絲的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)退化明顯，應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線及力一位移關(guān)系曲線的變化趨勢趨于平緩。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到了高溫下鋼絞線力學(xué)性能指標(biāo)退化規(guī)律與力學(xué)模型，可以為研究預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗火性能的計(jì)算與分析提供參考。
4[摘要]鋼絞線高溫力學(xué)性能是研究預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗火性能及受火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷鑒定與評估的基礎(chǔ)，本文從同一根鋼絞線邊絲中截取16根鋼絲試件進(jìn)行高溫下拉伸試驗(yàn)，得到高溫下鋼絲試件拉伸的力，位移曲線、應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線以及屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、比例極限、彈性模量與試驗(yàn)溫度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫下鋼絞線鋼絲的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線隨溫度升高趨于平緩，力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度升高不斷退化。本文試驗(yàn)結(jié)果可以為研究預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗火性能的計(jì)算與分析提供參考。
