桥梁预应力混凝土用钢绞线松弛试验影响因素的研究

2022-08-08付伟良

工程与试验 2022年2期

付伟良

(江西省交通运输科学研究院有限公司，江西南昌 330000)

1 引言

随着我国公路建设规模不断扩大，公路桥梁的数量与日俱增，预应力混凝土结构桥梁已成为最常见的一种桥梁结构类型。预应力钢绞线用于混凝土结构桥梁中，弥补了混凝土抗压不抗拉的不足。钢绞线的松弛性能是评价钢绞线使用性能的一个重要指标。在交通运输部公布的《公路水运工程试验检测机构等级标准》(交安监发〔2017〕113号)文件中，把钢绞线松弛试验纳入到公路工程桥梁隧道工程专项、综合甲级的试验检测能力基本要求当中。

本文参照相应标准，用公称直径为15.20mm、抗拉强度为1860MPa的由7根钢丝捻制的标准型钢绞线进行松弛试验，结合标准要求及试验数据实例，分析了影响松弛试验的主要因素，最终根据试验数据，分析总结了提高松弛率准确性的推算方法。

2 钢绞线松弛试验原理

公路工程中，预应力混凝土用钢绞线应力松弛试验以《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224-2014[1]作为试验方法，以《预应力混凝土用钢材试验方法》GB/T 21839-2019[2]作为判定依据。GB/T 21839-2019中的第10条“等温松弛试验”规定了恒应变松弛试验方法，试验原理是：在通常规定的温度20℃±2℃范围内，给试样施加一个初始力值，该力值通常为试样最大力值的70%。在该力值的作用下，试样会发生弹性变形。随着受力时间增加，部分弹性形变会转化成非弹性形变，而试样保持一定长度不变，试样内应力降低，通过设备自动记录试样所受力值的变化。

GB/T 5224-2014中的第7.2条“力学性能”规定了钢绞线应力松弛试验初始力可为最大负荷的70%，对应1000h应力松弛率小于等于2.5%。由于1000h试验时间偏长，规范允许使用120h的试验测试数据推算1000h的松弛率。

3 影响试验结果的因素

3.1 试验环境温度

图1、图2所示为试验温度、钢绞线负荷及松弛率随时间变化曲线。比较图1、图2可以看出，在试验过程中，温度均出现不同程度的波动。图1中温度随时间变化相对平稳，松弛率曲线相对稳定。图2中温度波动较大，松弛率曲线随温度波动变化明显，可能是由于在试验过程中，温度的变化导致金属内部晶格错位、滑动，在总应变不变的情况下，加载的初始力值随之变化，导致松弛率发生改变。因此，温度控制对钢绞线松弛试验至关重要。

图1 温度波动对松弛曲线的影响

图2 温度波动对松弛曲线的影响

GB/T 21839-2019中的第10.4.1条、第10.4.6条规定，“在试验前，试样应至少在松弛试验室内放置24h”，“试验室的温度及试样的温度应保持在20℃±2℃范围内”，这有助于调节钢绞线样品与试验环境温度偏差。造成试验过程中温度偏差过大的原因，通常是试验过程中温控设备不够稳定，试验环境空间过大，试验环境与外界隔热效果差，环境温度难以满足标准要求。另外，计算机控制系统应与松弛试验机进行有效隔离，尽量减少不必要的温度波动。

3.2 试验加载过程

进行钢绞线松弛试验时，试样应采用专用夹具夹紧，保证试样在加载过程中和试验期间均不产生滑动。GB/T 21839-2019中的第10.4.2条规定，加荷过程中，力的施加应平稳、无振荡；前20%初始力值可按需要加载。从20%～80%初始力值应连续加载或者分为3个或多个均匀阶段，或以均匀的速率加载，并在6min内完成。当达到80%初始力值后，从80%～100%初始力值的过程应连续加载，并在2min内完成。当达到初始力值时，力值应在2min内保持恒定，2min后，应立即建立并记录时间t0。其后对力的任何调整只能用于保证试样长度保持恒定。

3.3 试验数据推导方式

钢绞线松弛现象是一种长期保持拉应力情况下的应力反应，钢绞线松弛试验一般是通过测试一段时间内的试验数据，推算出长时间钢绞线松弛率，1000h松弛率的推算方式是准确计算松弛率的重要环节。GB/T 5224-2014中的第8.4.4条规定，允许用至少120h的测试数据推算1000h的松弛率，GB/T 21839-2019中第10.4.8条规定，1000h的应力松弛值可以用不少于120h的松弛试验值进行外推，但应提供充分证据证明外推1000h的松弛值与实际1000h的松弛值相当。标准中给出了外推公式：

lgρ=mlgt+n

式中，ρ为松弛率，%；t为时间，h；m和n为系数。

GB/T 21839-2019中第10.4.7条规定了记录力的标准时间分别为：1min、2min、4min、8min、15min、30min、60min、2h、4h、6h、24h、48h、96h、120h，但未规定试验数据推算的起始时间。本文用公称直径为15.20mm、抗拉强度为1860MPa的由7根钢丝捻制的标准型钢绞线进行试验，所得松弛试验数据见表1。

表1 某松弛试验不同时间的松弛率

表2为该松弛试验不同推算开始时间推算1000h的松弛率，开始推算时间分别为1min、2min、4min、8min、15min、30min、60min、2h、4h、6h。从表2可以看出，1min至60min时间段内推算1000h的松弛率结果之间差别较大，且松弛率呈现递减规律。1h后的松弛试验数据推算1000h的松弛率结果基本稳定，且相关系数R2趋于稳定，趋近99%。这说明，1h之后的双对数曲线更接近线性关系。由此得出，试验1min～60min的试验数据不能作为推算1000h松弛率的试验数据。

表2 某松弛试验不同推算开始时间推算1000h的松弛率结果

图3为用本试验室10组松弛试验数据绘制的松弛率与时间的双对数曲线。从图中可以看出，曲线大致分为3个区域，1min～60min为非线性区域，1h～2h为过渡区域，2h～120h为线性区域。试验开始初期的数据不能作为推算1000h松弛率的结果，否则会产生较大的偏差。综合上述试验数据可以得出，1h后的松弛试验数据基本满足线性关系。