張拉控制應(yīng)力對鋼絞線組織和性能的影響性研究

王顯錄，劉存建

（中交四航局第四工程局有限公司，成都610000）

1 引言

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的廣泛運(yùn)用，為了確保有效預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求減小預(yù)應(yīng)力損失，滿足橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命，在某些特殊情況下需要對鋼絞線進(jìn)行超張。但超張控制比例一般難以確定，若超張應(yīng)力控制不到位，超過鋼絞線的彈性變形，則鋼絞線將產(chǎn)生永久性變形而失去應(yīng)力作用。本文通過對不同張拉控制力作用下鋼絞線的內(nèi)部顯微組織、應(yīng)力與應(yīng)變的變化曲線進(jìn)行分析，探討鋼絞線在彈性變形階段的最大控制應(yīng)力，為類似預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在特殊情況下超張時(shí)的臨界控制應(yīng)力提供依據(jù)。

2 項(xiàng)目背景

簡州新城方家林大道赤水河大橋主橋跨徑為50 m+80 m+50 m預(yù)應(yīng)力混凝土變高度現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，單箱三室?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用平、豎彎相結(jié)合的方式布置，兩邊對稱張拉，鋼束由Φs15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線組成，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa，即標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的72%。

3 試驗(yàn)材料和內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)原理

低碳鋼在外加載荷的情況下會逐漸被拉長，隨著伸長量（即應(yīng)變）的增加，鋼的屈服強(qiáng)度逐漸增大，此為鋼的加工硬化。在拉伸過程中，其顯微組織處于動態(tài)變化狀態(tài)，低碳鋼原始組織為珠光體+鐵素體的片層相間組織，珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，隨著應(yīng)變的增加，鐵素體和和珠光體會沿著變形方向被拉長，逐漸形成沿變形方向的纖維組織。纖維組織是一種變形織構(gòu)，加工硬化產(chǎn)生的原因：（1）由于拉伸過程中產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)沿變形方向運(yùn)動進(jìn)一步形成位錯(cuò)纏結(jié)，并阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動從而產(chǎn)生強(qiáng)化效果。（2）由于拉伸過程中產(chǎn)生了變形織構(gòu)，變形織構(gòu)的強(qiáng)化作用在于沿變形方向的抗拉強(qiáng)度和沿截面方向的抗剪強(qiáng)度都明顯大于其他方向[1]。

低碳鋼原始組織和拉伸后呈現(xiàn)的纖維組織如圖1所示。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

在現(xiàn)場截取長度為150 mm、直徑為15.2 mm的鋼絞線作為標(biāo)準(zhǔn)型試樣。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：試驗(yàn)控制應(yīng)力分別設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的50%、72%、90%和110%。即930 MPa、1 339.2 MPa、1 674 MPa和2 046 MPa。共計(jì)4×4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)儀器采用原位拉伸機(jī)加機(jī)械式引伸計(jì)的組合結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)分析方法采用金相顯微觀察（OM）、掃描電子顯微鏡觀察（SEM）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 微觀組織分析

將張拉控制應(yīng)力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的50%、72%、90%、110%，拉伸時(shí)所對應(yīng)的顯微組織SEM如圖2所示。明顯可以看出不同張拉控制應(yīng)力下拉伸時(shí)的顯微組織有所區(qū)別，沿變形方向的晶粒長度明顯大于沿截面方向的晶粒長度，纖維化的程度隨張拉控制應(yīng)力的增加而變大。被拉長之后的晶體所形成的變形織構(gòu)越明顯。赤水河大橋鋼絞線拉伸時(shí)的張拉控制應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的72%，如圖2b所示。通過SEM圖片只能分析鋼絞線在拉伸時(shí)微觀組織的總體變化情況，不能判斷晶粒何時(shí)出現(xiàn)斷裂以及斷裂的方式等，因此，需要進(jìn)一步進(jìn)行透射電子顯微觀察[2，3]。

圖2 拉伸后內(nèi)部組織SEM圖

采用透射電子顯微鏡分別對張拉控制應(yīng)力為72%和110%標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度時(shí)的鋼絞線進(jìn)行觀察，如圖3所示?？梢悦黠@看出張拉控制應(yīng)力為110%標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的晶體被拉長的程度更大，晶體間距更小。隨著張拉控制應(yīng)力的增大，當(dāng)超過鋼絞線的抗拉強(qiáng)度之后，鋼絞線就會產(chǎn)生頸縮而發(fā)生斷裂，從圖3b中可以觀察到，相應(yīng)拉長的晶粒已經(jīng)產(chǎn)生了微裂縫，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，單個(gè)晶體產(chǎn)生的微裂縫就會成為宏觀斷裂產(chǎn)生的擴(kuò)展源。

圖3 張拉控制應(yīng)力TEM圖片

4.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

鋼絞線在拉伸變形的過程中，會經(jīng)歷彈性變形、屈服變形、斷裂3個(gè)階段。圖4所示為低碳鋼在拉伸變形過程中應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，o～e階段為彈性變形階段，p點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力為低碳鋼的比例極限（在彈性變形階段，金屬材料所承受的應(yīng)力和應(yīng)變保持正比的最大應(yīng)力），e點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限；e～b對應(yīng)低碳鋼的屈服變形階段，e～s段的下限一般對應(yīng)低碳鋼的屈服強(qiáng)度，b點(diǎn)為抗拉強(qiáng)度（也稱強(qiáng)度極限）；b～k為斷裂階段，包括了頸縮和斷裂，k點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)變即為低碳鋼承受載荷所能達(dá)到的最大應(yīng)變，超過這個(gè)應(yīng)變之后，就會發(fā)生斷裂。低碳鋼拉伸變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 低碳鋼拉伸變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了更好地分析鋼絞線在實(shí)際拉伸過程中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，采用180 N/s的外加靜載荷對標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。張拉控制應(yīng)力小于1 400 MPa時(shí)為彈性變形階段（o～e階段），加工硬化率為大于零的常數(shù)，應(yīng)力和應(yīng)變呈線性比例關(guān)系，本質(zhì)含義為若在該階段去掉外加載荷，則鋼絞線會返回到變形前的狀態(tài)。屈服變形階段分為屈服階段和強(qiáng)化階段，在屈服變形階段中所產(chǎn)生的變形為永久性變形，從圖5中可以看出鋼絞線的屈服強(qiáng)度為1 450 MPa。

從橋梁工程角度上來說，鋼絞線張拉后的變形宜選擇在彈性變形階段，最大不應(yīng)超過鋼絞線的屈服強(qiáng)度。從圖5中可知，該鋼絞線彈性極限為1 400 MPa，則張拉控制應(yīng)力宜小于或等于1 400 MPa，即標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的75%。任何情況下最大控制應(yīng)力應(yīng)不超過1 450 MPa，即標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的78%。

圖5 鋼絞線的應(yīng)力與張拉控制應(yīng)力曲線

5 結(jié)語

鋼絞線由于外加載荷產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力隨張拉控制應(yīng)力的增加而增大，內(nèi)部顯微組織也隨應(yīng)變量的增加逐漸沿伸長方向形成纖維化組織，并產(chǎn)生變形織構(gòu)。當(dāng)外加載荷超過鋼絞線的屈服強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部晶體將會進(jìn)一步拉長，材料就會產(chǎn)生永久變形，當(dāng)超過鋼絞線的抗拉強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部晶體將產(chǎn)生裂縫，從而引起宏觀上的頸縮并斷裂。由試驗(yàn)結(jié)果表明，針對標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，在任何特殊情況下超張時(shí)的臨界控制應(yīng)力應(yīng)不超過鋼絞線的屈服強(qiáng)度1 450 MPa，即抗拉強(qiáng)度的78%。本項(xiàng)目赤水河大橋設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa，超張比例不應(yīng)超過設(shè)計(jì)控制引力的108%，否則，鋼絞線將產(chǎn)生較大的塑性變形，失去應(yīng)力作用。