浅析影响预应力混凝土钢绞线力学性能检测的若干因素

张维杰，孟 扬，崔德奎，张 杉，刘 然

（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）

0 引 言

预应力混凝土用钢绞线是广泛用于各种建筑工程和桥梁工程中不可或缺的材料，其力学性能是表征产品质量的重要指标，与工程质量和安全息息相关。预应力混凝土用钢绞线力学性能检测项目主要包括：最大力Fm、公称抗拉强度 Rm、0.2 % 屈服力 Fp0.2以及最大力总伸长率 Agt。这些技术参数不仅是建工领域实验室的常规检测项目，也是施工验收的见证检测项目。检测结果的准确与否反映了实验室在预应力混凝土用钢绞线力学性能检测的基本技术能力。对此，为了解行业内相关实验室的总体情况，找出影响检测结果准确度的关键因素，从而促进实验室技术能力的提升，故自 2017年起，笔者单位连续两年开展了“预应力混凝土用钢绞线力学性能检测”能力验证项目（以下称“检测能力验证项目”）。

通过上述项目的开展，认为行业总体情况良好，能力验证结果的满意率大约为 83 %。但是，从中也发现一些问题，比如夹具装置不合适、试件端部处理不当、引伸计的安装位置不合理等均会对检测结果带来一定的偏差。下面，将以两次项目的实施情况介绍作为切入点，重点对影响检测结果准确度的关键因素进行分析。

1 检测标准及参数

两次检测能力验证项目均根据 GB/T 5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》标准，保证参加实验室按照上述标准的相关要求，测试预应力混凝土用钢绞线的力学性能，包括最大力 Fm、公称抗拉强度 Rm、0.2 % 屈服力Fp0.2以及最大力总伸长率 Agt。

2 参与实验室基本情况

在 2017年检测能力验证项目实施过程中，共有 43 家检测实验室报名参加且全部按期返回了结果。其中，已获得 CNAS 认可的实验室有 22 家，占实验室总数的 51.2 %，未获 CNAS 认可的实验室有 21 家，占实验室总数的 48.8 %。

在 2018年检测能力验证项目实施过程中，共有 37 家实验室报名参加且全部按期返回了结果。其中，已获得 CNAS 认可的实验室有18家，占实验室总数的48.6 %，未获 CNAS 认可的实验室有19家，占实验室总数的 51.4 %。

由此可见，行业内相关实验室的参与程度较高，两次检测能力验证项目反映出的预应力混凝土用钢绞线力学性能检测能力水平具有一定的代表性，所发现的一些检测问题具有普遍适用性。

3 样品制备

两次检测能力验证项目用样品的制备方法相同，均从同批（整盘）预应力混凝土用钢绞线的中部开始连续切割，每根钢绞线的切割长度为 1 200 mm。切割后，从所有切割下的样品中随机选取 3 根组成一组样品，并加以编号。样品在包装时，用 PVC 薄膜包裹后外加塑料气泡袋，再用防潮编织条缠绕（见图1）。

图1 待发样品

4 样品的均匀性和稳定性

4.1 均匀性检验

两次检测能力验证项目用样品的均匀性均按照CNAS-GL003∶2018《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》（原 CNAS-GL03∶2006《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》）的相关要求，采用 S≤0.3σ 准则，进行了均匀性检验。检验结果表明：样品的均匀性良好，不会影响相关参加实验室能力验证的评价结果。

4.2 稳定性检验

预应力混凝土用钢绞线样品性能稳定，运输过程和天气因素不会造成其出现变形等异常情况，故在发样前后不再进行稳定性检验。

5 结果评价设计

两次检测能力验证项目的测试结果统一采用稳健技术处理，并将稳健平均值设置为指定值。稳健平均值与稳健标准差的定义及计算方法见 GB/T 28043-2011《利用实验室间比对进行能力验证的统计方法》。

各实验室的检测结果，按式（1）计算 Z 值。

两次检测能力验证项目涉及的统计量有：结果数、稳健平均值、稳健标准差、稳健平均值的标准不确定度、最小值、最大值、极差、能力评定标准差和稳健变异系数。

以∣Z∣比值的绝对值评价每个参加实验室的能力。

∣Z∣≤2表示“满意”，不用采取进一步措施；

2＜∣Z∣＜3表示“有问题”，产生警戒信号；

∣Z∣≥3表示“不满意”，产生措施信号。

在每个参加实验室反馈的测试结果——最大力、公称抗拉强度、0.2 % 屈服力以及最大力总伸长率中，任何一个结果出现不满意，则判断该实验室结果不满意；任何一个结果有问题，但无不满意结果，则判断该实验室结果有问题。

6 统计结果

两次检测能力验证项目的统计结果如表1 所示。

表1 能力验证项目统计结果

从表1 可以看出，随着两次能力验证项目的相继开展，行业内相关实验室的技术能力有所提升，能力验证结果的满意率大约为 83 %。

7 技术分析及建议

通过两次检测能力验证项目的实施，在试验设备和检测过程两个方面，开展了技术分析并进一步给出具体相关建议。

7.1 试验设备的影响

1）试验机。项目依据标准所引用的 GB/T 21839-2008《预应力混凝土用钢材试验方法》中第 5.2 条款的要求，试验机至少为 1 级精度。同时，计量单位定期对试验机的精度进行检定或校准，可在一定程度上减少测量误差。

2）引伸计。项目依据标准所引用的 GB/T 21839-2008《预应力混凝土用钢材试验方法》中第 5.2 条款的要求，测定 Fp0.2时，引伸计的精度应为 GB/T 12160-2002《单轴试验用引伸计的标定》中 1 级；测定 Agt时，可为 GB/T 12160-2002 《单轴试验用引伸计的标准》中 2 级。同时，计量单位定期对引伸计的精度进行检定或校准，可在一定程度上减少测量误差。

3）夹具装置。适当的夹具型式和夹持方法对预应力混凝土用钢绞线的力学性能测试较为重要。在力学性能检测中，钢绞线所承受的拉荷载是试验机通过钳口与钢绞线外层钢丝之间摩擦力传递过来的。当采用 V 型夹具时，钢绞线外层的各根钢丝无法实现均匀夹持，结果使得其所受的拉荷载（摩擦力）不尽相同。由此：一方面，各根钢丝达到极限荷载的时间不同，故所测得的极限荷载在一定程度下低于其实际值；另一方面，各根钢丝产生不等量的滑移，故所测得的最大力总伸长率在一定程度下也低于其实际值。而采用圆形夹具，保证了钳口能与钢绞线外层的各根钢丝同时相内接，从而实现了均匀加持，提高了测量结果的准确度。

7.2 检测过程的影响

1）试件端部处理。预应力混凝土用钢绞线表面硬度较高，这就对试验机夹具有更高的硬度要求，否则将会引起试件打滑从而导致无法正常拉伸。所以通常情况下，夹具的硬度应当高于试件硬度。然而，过高硬度的夹具会引起试件机械损伤而产生提前断裂，从而导致测量结果产生偏差。对此，可提前对试件的端部进行预处理，例如利用乳胶将薄铝片和金刚砂进行粘连，再将薄铝片与试样端部进行捆绑固定。

2）试件受力的轴向性。试件置于夹具装置后，应保证其上部夹持端与下部夹持端处于同一竖向垂直轴，由此可确保试件受力的轴向性，从而在一定程度上减少测量误差。

3）引伸计的标距。一般情况下，实验室所用的引伸计的标距从 100～600 mm 不等。因此，应采用至少大于本次能力验证样品一个捻距的引伸计标距，从而使得预应力混凝土用钢绞线结构特性不会影响变形的测量。另外，可以使用螺纹固定的环形卡式标距的引伸计来替换橡皮筋固定的引伸计，因为常用引伸计为平直刀口，单用橡皮筋固定只能加持部分丝，且各丝的变形程度不均匀，会对变形测量产生影响。

4）引伸计的安装。引伸计应安装在试件中间部位，要安装牢固，并且上、下刀口不能扭转，否则对变形的测量会产生一定的影响。

5）加荷速度。为了避免试件被过早破坏，对测量结果造成人为误差，需要控制加荷速度不要过快，否则会使被加持端表面受到的剪应力突然增长，并使得此处应力集中得不到有效缓解，从而导致试件过早破坏。

6）影响最大力总伸长率测量结果的因素。①试件原始标距的测量误差；②预加负荷对试件所产生的延伸率未加在总延伸内；③当采用断裂总伸长率 Ag替代最大力总伸长率 Agt，并且送、回油阀可控时，当试件中一根或几根钢丝被破坏后，需要及时关闭送油阀，快速测量试验机上下工作台面距离后，再将回油阀打开，将拉力卸载，取出试件；否则，会由于试验机油缸的进回油，而使得工作台的位置发生变化，对测量结果造成影响。

8 结 语

从两次能力验证项目结果可以看出大多数参加实验室的检测人员具备符合要求的技术能力，能够准确理解并应用相关技术标准。但也有个别参加实验室的检测人员在专业知识和技术能力方面还不能满足预应力混凝土钢绞线力学性能检测的基本技术要求。因此，建议相关实验室进一步开展对相关检测人员的培训工作，从而促进预应力混凝土钢绞线力学性能检测实际操作的规范，逐步提高建工领域实验室的理论和实践水平。Q