预应力钢绞线高温力学性能研究进展

廖 滨 胡焕伟 仇 实

（中建八局第二建设有限公司广东公司）

0 引言

随着预应力混凝土理论的不断进步与发展，近年来，预应力结构和材料越来越多被用在许多重要的工程中。作为预应力结构中的关键部件，预应力钢绞线在经历高温时的性能变化及火灾后的损伤评估与修复成为人们关注的焦点。因此，对预应力钢绞线在高温下的安全性能研究具有十分重要的意义。

1 预应力钢绞线高温性能国内外研究进展

火灾是发生频率极高的灾害之一，预应力建筑结构经历火灾后，轻则影响结构的耐久性，严重会导致结构失稳，失去承载能力发生破坏。火灾发生时，预应力钢绞线所受的温度会迅速升高到1000℃左右。因此，在高温和外力的双重作用下，材料自身性能和构件耐久性会出现较大的下降[1]。由于预应力钢绞线已经处于较高的应力状态，具有一定的应力历史，因此高温对预应力材料会产生比普通材料更大的影响，预应力钢绞线出现严重的内力重分布，并且伴随着较大的蠕变变形，因此在对预应力结构进行耐火设计时，高温蠕变是计算预应力钢绞线预应力损失不能忽视的重要因素[2]。

1.1 国外研究进展

Kodur 通过研究发现[3]在加荷载恒定，温度升高情况下，钢筋的蠕变发生在温度超过其熔点的30%时，即当钢筋承受的温度超过400℃时，就应该考虑钢筋高温下发生的蠕变。Day 等[4]对预应力钢丝进行了高温下的蠕变试验，结果表明在400℃高温下，预应力钢丝应力水平达到0.6，钢丝发生断裂。其主要原因是由于高温使钢丝产生了蠕变，引起了较大的预应力损失。因此，研究预应力钢绞线高温力学性能不可以忽视蠕变的作用。Abrams[5]等通过对1860MPa 级预应力钢绞线的高温性能研究，发现在相对较高的540℃高温情况下，预应力钢绞线的残余强度变化极其小。Abrams 通过改变温度和样本的受热时间对预应力钢绞线的微硬度进行了进一步试验，从而发现当温度持续升高或受热时间增加时，预应力钢绞线的硬度会随之降低。Holmes 等[6]通过试验研究了1×7 钢绞线在温度从20℃升到700℃时的性能参数变化，发现在较高温度时，预应力钢绞线强度出现明显的下降，而软钢的强度下降幅度要小于预应力钢绞线，同时Holmes 指出当温度达到一定范围时，预应力钢绞线的残余强度不会再随着截面尺寸的变化而发生改变。最早的预应力钢绞线高温蠕变理论由Dorn[7]提出，但是他提出的材料蠕变模型是一种较为理想化的模型，是基于由温度变化引起的蠕变能量是连续性的假设，并不是真实的反应蠕变状态。Harmathy[8]对Dorn 的理论进行了总结和完善，提出了如下蠕变公式：

1970 年Harmathy 等[9]对1725 级预应力钢绞线进行高温蠕变试验，该试验得到了1725 级预应力钢丝的应力-应变曲线，通过进一步分析发现当温度为400℃时，预应力钢丝的极限强度发生明显的下降。据此，Harmathy 首次提出在经历高温时，钢材微观结构的改变对预应力钢丝力学性会产生较大影响。Lie[10]通过总结以上试验结果，建立了高温下热轧钢筋的应力-应变曲线模型：

式中，（εT）s为钢的热膨胀总应变，ε 为柱轴向应变，为柱弯曲引起的应变。但该模型的应力-应变曲线缺少下降段，因此模型适用性有限。

一些规范根据以上研究成果规定了预应力钢绞线在高温下的力学性能指标，如PCI[11]、EN 1992[12]等，但这些规定所基于的理论仍存在不足之处。但由于EN 1992 规范的钢绞线力学模型缺少了应力强化阶段，不能真实地反映钢绞线高温下的应力-应变关系，因此在非高温下EN 1992 规范建议的屈服强度与极限强度取值较为合理，而高温下规范建议的钢绞线极限应变取值低于试验值。而美国规范与欧洲规范中钢绞线高温下的应力-应变模型缺少考虑钢绞线在高温下的蠕变对钢筋的力学性能产生的影响。

1.2 国内研究进展

国内研究人员对多种预应力钢绞线进行高温试验，通过分析总结试验结果，得到了预应力钢绞线在经历高温前后的力学规律，并建立了不同的力学模型。范进等[13]对32 根1860 级1×7 预应力钢绞线进行了高温下及高温后的拉伸试验，通过测试预应力钢绞线在不同温度下的各种力学性能指标，经回归分析后建立了高温下预应力钢绞线的力学模型：

极限强度为：

名义屈服强度为：

弹性模量为：

式中：T 为温度；σbT、σ0.2T和EsT分别为温度T 下的力学性能指标；σb、σ0.2和Es分别为室温下的力学性能指标。

2004 年范进[14]对1860 级预应力钢绞线进行了进一步研究，首先将样本加热到一定的高温，然后再通过不同的方式将其冷却。从而得到了不同冷却方式对高温预应力钢绞线力学性能的影响规律，并由此建立了高温后预应力钢绞线的力学模型：

极限强度为：

屈服强度为：

弹性模量为：

式中：t 为温度；σbt、σ0.2t和Est分别为钢绞线经过高温t 作用后的力学性能指标；σb、σ0.2和Es分别为钢绞线在常温时的力学性能指标。

郑文忠等[15-17]通过对1770 级低松弛预应力钢绞线和1860 级钢绞线中丝施加高温，通过预应力钢绞线在经历高温时和高温后的力学性能变化规律，建立了预应力钢绞线的高温力学性能模型：

极限强度为：

条件屈服强度为：

弹性模量为：

式中：fb(T)、f0.2(T)和Es(T)分别为预应力钢绞线在温度T 的力学性能指标；fb、f0.2和Es分别为常温下的力学性能指标。

高温后预应力钢绞线极限强度：

高温后预应力钢绞线屈服强度：

高温后预应力钢丝弹性模量：

郑文忠等在对1860 级钢绞线中丝进行高温试验后发现，其极限强度、屈服强度和弹性模量可以用1770 级预应力钢丝的力学模型来表达，并且略偏于安全。通过与高温下及高温后1770 级预应力钢丝的试验进行对比分析，得到了高温下该种钢绞线中丝蠕变曲线方程：

2019 年杜咏等[18-20]通过对1670 级7×7 平行钢丝束进行高温力学性能试验研究，并对1860 级预应力钢绞线进行高温力学性能试验，进一步完善了预应力高强钢绞线高温下基本力学性能体系：

高温下预应力钢绞线极限强度：

高温下预应力钢绞线名义屈服强度：

高温下预应力钢绞线弹性模量：

并通过1860 级钢绞线的高温蠕变试验提出了蠕变方程：

2 结语

国内外的许多学者都对预应力钢绞线在高温下的力学性能开展了大量试验研究，并取得了一定的成果。但是，研究依然存在一定的局限性：

⑴测试的钢绞线试件数量较少，普适性较低；

⑵由于变形较难测量，针对预应力钢绞线在应力-温度耦合作用下力学性能的研究较少，尤其对蠕变变形方面的研究更少；

⑶国内外开展的高温下钢绞线性能试验，很多采用的是钢绞线中丝，采用整个钢绞线的试验较少，测试结果可能高估其性能。

因此，在进一步研究钢绞线的高温性能和推广工程应用方面，仍有许多工作要做：

⑴对经受高温的预应力钢绞线试件进行有限元模拟分析，从理论上深入研究预应力材料的蠕变变形和抗火性能；

⑵开展火灾后预应力钢绞线性能的鉴定，以及对经受火灾的预应力结构进行修复加固处理措施的研究，结合工程背景，将理论研究应用到实际工程中。