橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線松弛試驗影響因素的研究

付偉良

(江西省交通運輸科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330000)

1 引 言

隨著我國公路建設(shè)規(guī)模不斷擴大，公路橋梁的數(shù)量與日俱增，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁已成為最常見的一種橋梁結(jié)構(gòu)類型。預(yù)應(yīng)力鋼絞線用于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁中，彌補了混凝土抗壓不抗拉的不足。鋼絞線的松弛性能是評價鋼絞線使用性能的一個重要指標(biāo)。在交通運輸部公布的《公路水運工程試驗檢測機構(gòu)等級標(biāo)準(zhǔn)》(交安監(jiān)發(fā)〔2017〕113號)文件中，把鋼絞線松弛試驗納入到公路工程橋梁隧道工程專項、綜合甲級的試驗檢測能力基本要求當(dāng)中。

本文參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，用公稱直徑為15.20mm、抗拉強度為1860MPa的由7根鋼絲捻制的標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線進(jìn)行松弛試驗，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求及試驗數(shù)據(jù)實例，分析了影響松弛試驗的主要因素，最終根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分析總結(jié)了提高松弛率準(zhǔn)確性的推算方法。

2 鋼絞線松弛試驗原理

公路工程中，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線應(yīng)力松弛試驗以《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》GB/T 5224-2014[1]作為試驗方法，以《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼材試驗方法》GB/T 21839-2019[2]作為判定依據(jù)。GB/T 21839-2019中的第10條“等溫松弛試驗”規(guī)定了恒應(yīng)變松弛試驗方法，試驗原理是：在通常規(guī)定的溫度20℃±2℃范圍內(nèi)，給試樣施加一個初始力值，該力值通常為試樣最大力值的70%。在該力值的作用下，試樣會發(fā)生彈性變形。隨著受力時間增加，部分彈性形變會轉(zhuǎn)化成非彈性形變，而試樣保持一定長度不變，試樣內(nèi)應(yīng)力降低，通過設(shè)備自動記錄試樣所受力值的變化。

GB/T 5224-2014中的第7.2條“力學(xué)性能”規(guī)定了鋼絞線應(yīng)力松弛試驗初始力可為最大負(fù)荷的70%，對應(yīng)1000h應(yīng)力松弛率小于等于2.5%。由于1000h試驗時間偏長，規(guī)范允許使用120h的試驗測試數(shù)據(jù)推算1000h的松弛率。

3 影響試驗結(jié)果的因素

3.1 試驗環(huán)境溫度

圖1、圖2所示為試驗溫度、鋼絞線負(fù)荷及松弛率隨時間變化曲線。比較圖1、圖2可以看出，在試驗過程中，溫度均出現(xiàn)不同程度的波動。圖1中溫度隨時間變化相對平穩(wěn)，松弛率曲線相對穩(wěn)定。圖2中溫度波動較大，松弛率曲線隨溫度波動變化明顯，可能是由于在試驗過程中，溫度的變化導(dǎo)致金屬內(nèi)部晶格錯位、滑動，在總應(yīng)變不變的情況下，加載的初始力值隨之變化，導(dǎo)致松弛率發(fā)生改變。因此，溫度控制對鋼絞線松弛試驗至關(guān)重要。

圖1 溫度波動對松弛曲線的影響

圖2 溫度波動對松弛曲線的影響

GB/T 21839-2019中的第10.4.1條、第10.4.6條規(guī)定，“在試驗前，試樣應(yīng)至少在松弛試驗室內(nèi)放置24h”，“試驗室的溫度及試樣的溫度應(yīng)保持在20℃±2℃范圍內(nèi)”，這有助于調(diào)節(jié)鋼絞線樣品與試驗環(huán)境溫度偏差。造成試驗過程中溫度偏差過大的原因，通常是試驗過程中溫控設(shè)備不夠穩(wěn)定，試驗環(huán)境空間過大，試驗環(huán)境與外界隔熱效果差，環(huán)境溫度難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，計算機控制系統(tǒng)應(yīng)與松弛試驗機進(jìn)行有效隔離，盡量減少不必要的溫度波動。

3.2 試驗加載過程

進(jìn)行鋼絞線松弛試驗時，試樣應(yīng)采用專用夾具夾緊，保證試樣在加載過程中和試驗期間均不產(chǎn)生滑動。GB/T 21839-2019中的第10.4.2條規(guī)定，加荷過程中，力的施加應(yīng)平穩(wěn)、無振蕩；前20%初始力值可按需要加載。從20%～80%初始力值應(yīng)連續(xù)加載或者分為3個或多個均勻階段，或以均勻的速率加載，并在6min內(nèi)完成。當(dāng)達(dá)到80%初始力值后，從80%～100%初始力值的過程應(yīng)連續(xù)加載，并在2min內(nèi)完成。當(dāng)達(dá)到初始力值時，力值應(yīng)在2min內(nèi)保持恒定，2min后，應(yīng)立即建立并記錄時間t0。其后對力的任何調(diào)整只能用于保證試樣長度保持恒定。

3.3 試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)方式

鋼絞線松弛現(xiàn)象是一種長期保持拉應(yīng)力情況下的應(yīng)力反應(yīng)，鋼絞線松弛試驗一般是通過測試一段時間內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)，推算出長時間鋼絞線松弛率，1000h松弛率的推算方式是準(zhǔn)確計算松弛率的重要環(huán)節(jié)。GB/T 5224-2014中的第8.4.4條規(guī)定，允許用至少120h的測試數(shù)據(jù)推算1000h的松弛率，GB/T 21839-2019中第10.4.8條規(guī)定，1000h的應(yīng)力松弛值可以用不少于120h的松弛試驗值進(jìn)行外推，但應(yīng)提供充分證據(jù)證明外推1000h的松弛值與實際1000h的松弛值相當(dāng)。標(biāo)準(zhǔn)中給出了外推公式：

lgρ=mlgt+n

式中，ρ為松弛率，%；t為時間，h；m和n為系數(shù)。

GB/T 21839-2019中第10.4.7條規(guī)定了記錄力的標(biāo)準(zhǔn)時間分別為：1min、2min、4min、8min、15min、30min、60min、2h、4h、6h、24h、48h、96h、120h，但未規(guī)定試驗數(shù)據(jù)推算的起始時間。本文用公稱直徑為15.20mm、抗拉強度為1860MPa的由7根鋼絲捻制的標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線進(jìn)行試驗，所得松弛試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 某松弛試驗不同時間的松弛率

表2為該松弛試驗不同推算開始時間推算1000h的松弛率，開始推算時間分別為1min、2min、4min、8min、15min、30min、60min、2h、4h、6h。從表2可以看出，1min至60min時間段內(nèi)推算1000h的松弛率結(jié)果之間差別較大，且松弛率呈現(xiàn)遞減規(guī)律。1h后的松弛試驗數(shù)據(jù)推算1000h的松弛率結(jié)果基本穩(wěn)定，且相關(guān)系數(shù)R2趨于穩(wěn)定，趨近99%。這說明，1h之后的雙對數(shù)曲線更接近線性關(guān)系。由此得出，試驗1min～60min的試驗數(shù)據(jù)不能作為推算1000h松弛率的試驗數(shù)據(jù)。

表2 某松弛試驗不同推算開始時間推算1000h的松弛率結(jié)果

圖3為用本試驗室10組松弛試驗數(shù)據(jù)繪制的松弛率與時間的雙對數(shù)曲線。從圖中可以看出，曲線大致分為3個區(qū)域，1min～60min為非線性區(qū)域，1h～2h為過渡區(qū)域，2h～120h為線性區(qū)域。試驗開始初期的數(shù)據(jù)不能作為推算1000h松弛率的結(jié)果，否則會產(chǎn)生較大的偏差。綜合上述試驗數(shù)據(jù)可以得出，1h后的松弛試驗數(shù)據(jù)基本滿足線性關(guān)系。

圖3 松弛率與時間雙對數(shù)曲線

4 結(jié) 語

本文分析了試驗環(huán)境溫度、試驗加載過程、試驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)方式對鋼絞線松弛試驗的影響，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，在以松弛率和時間為雙對數(shù)的坐標(biāo)中，將不同時段的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，得出可以以2h～120h時間段試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行1000h松弛率推算的結(jié)論。