武红健
河北中交远洲工程试验检测有限公司 河北石家庄 050000
摘要：预应力技术广泛应用于桥梁、房屋、水坝、机场等设施中。随着预应力技术越来越引起人们的重视，相关的课题研究也逐步开展起来。在预应力工程中，锚固性能和应力松弛特性是两个很重要的方面。本文对预应力锚具及钢绞线试验分析。
关键词：预应力；锚具；钢绞线；试验分析
一、预应力锚具的静载试验
在行业标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》(JG J85-2002)中,我们看到“测量总应变εapu的量具标距不宜小于1m”,所以在静载试验中应采用该条规定。
1.总应变εapu的计算方法。在《预应力筋用锚具、夹具和连接器》(G B/T14370-2000)中也未明确,实际工作中有的试验人员则是根据《公路桥梁预应力钢绞线用锚具、连接器试验方法及检验规则》(JT329.2-97)中6.3.5的方法或略有改变在操作,即用千斤顶的伸出长度差作为钢绞线的绝对伸长,计算出总应变εapu。事实上,由此得出的总应变εapu的数据偏大,其主要原因就是在测量钢绞线的绝对伸长量时,没有把实验设备的综合弹性变形考虑进去,也就是说用千斤顶伸出长度差作为钢绞线的绝对伸长是不准确的。只有在试验过程中直接测量钢绞线的绝对伸长,用ε=△l/l(式中:△l是钢绞线的绝对伸长;l是试验中的钢绞线与△l对应的标距或受力长度),推算出的总应变εapu的值才更准确。
2.钢绞线的截面积。多数用实测整股钢绞线外径的方法推算出钢绞线的截面积,在《金属材料室温拉伸试验方法》(G B/T228-2002)中要求的是“试样的原始直径”。考虑到钢绞线的特殊结构,建议分别测量钢绞线的每根钢丝直径,消除间隙面积(按整股实测有数据偏大的现象)。
3.引伸仪。为提高试验精度,方便破断瞬间的伸长记录,而采用引伸仪来测试钢绞线的绝对伸长,但其标距多少又如何夹持钢绞线却有不同的意见。试验过程中按《预应力筋用锚具、夹具和连接器》(G B/T14370-2000)的试验装置,加强观测完全可以用直尺直接测量钢绞线的绝对伸长,并能满足标准的要求。
4.测试方法及操作。①选一根自然状态下平直的钢绞线,在其中部1m的距离上分别用彩色胶带扎好2个标记,再按照相关规则安装好试验用的预应力筋———锚具、夹具和连接器组装件(包括已做好标记的钢绞线)。全部零件应是检验合格的产品,预应力筋的各根钢材应等长平行,初应力均匀,受力长度不宜小于3m。为保证初应力均匀,可用250kN的千斤顶逐根张拉钢绞线至10%fptk。②做好标记的钢绞线应置于试验台架且易于观测的位置上,再用一根1.2m左右的钢尺的原点(或自行设定的原点),靠在扎好的颜色胶带的一端(安装标尺),并用胶带扎牢该端,钢尺的另一端用皮筋扎住保持钢尺与钢绞线平行即可,钢尺是用来测量钢绞线伸长的。③按标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》(G B/T14370-2000)中6.2.1的要求进行试验并做好相应的记录,应特别加强在达到钢绞线破断力时的伸长量观测。观察钢绞线在各级荷载下的伸长值,即钢绞线上2个颜色胶带间的(伸长)距离值,并记录在试验记录内。下面以一个试验的2种测量方式得出的结果进行分析总结,下表中△l1是测量千斤顶伸出长度差得出的钢绞线的伸长值,应变ε1是△l1的对应值;△l2为标距1m时钢尺直接在钢绞线上的测量值,应变ε2是△l2的对应值。各级荷载下的试验结果如下表(试验用锚具Y M 15-12,钢绞线母材极限拉力:270.0kN,受力长度:3910m m)。从以上的试验结果中可以得出以下结论。①标距的选择合理时,是能满足规范要求的。②随着荷载的增加,测量千斤顶伸出长度差的方法其线性误差也越大,这点从锚固组件的荷载与拉伸长度的递增情况也可以说明。在材料的比例极限内它们应服从材料的虎克定律。
二、预应力钢绞线力学性能试验研究
1.拉伸试验及结果分析。截取3段等长的1×7结构钢绞线，其截面如图1所示。对1号钢绞线外围的6根钢丝分别沿纵向粘贴应变片，2号钢绞线外围5根钢丝沿纵向粘贴应变片，3号钢绞线外围6根钢丝沿纵向粘贴应变片。取1根钢丝并沿纵向粘贴应变片作为温度补偿片，试验在常温下进行。
分别对1号、2号、3号钢绞线试样进行拉伸试验特性分析。每根试样循环加载2次，并对每次加载20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 kN试验力时钢丝的应变值进行记录。对1号、2号、3号钢绞线试样进行拉伸加载试验，1号模拟的是完整的钢绞线，2号模拟的是外面断1根丝的钢绞线，3号模拟的是中间断1根丝的钢绞线。通过上述3组试验可以发现，1号钢绞线受力比较均匀，2号与3号钢绞线的应变明显“混乱”，容易出现1根或几根分担更多力的情况，当几根钢丝达到屈服状态后，剩余的却没有很好地利用。工程应用中常出现钢绞线发生断丝的情况，3组不同的拉伸曲线，为开展钢绞线的断丝检测提供了依据。
2.应力松弛试验及结果分析。预应力工程中，除了对钢绞线的张拉力学特性分析外，整个结构使用过程中的可靠性也是探讨的重点，因此就涉及到了预应力钢绞线很重要的特性———应力松弛。此次试验采用1 m长的1号钢绞线，加载182 kN的力保持总位移不变。按照GB/T10120试验标准，按1，3，6，9，15，30，45 min和1，1．5，2，4，8，10，24 h时间间隔定时记录，以后每隔24 h记录一次，直至试验结束。为计算出试验机加载力与各应变片的关系表达式，先按照30，60，90，120，150，182 kN的加载力测出应变值，再用最小二乘法拟合得出加载力与弹性应变的关系。其关系式为
ε=25．793F－18．886，(1)
式(1)中:ε为微应变，10－6;F为加载力，kN。松弛试验开始后，按照GB/T 10120要求，一直到第5天结束。松弛率计算公式
式(2)中:Ｒ为松弛率，%;F0为初始试验力，kN;Fr为剩余试验力，kN。剩余试验力Fr与时间T的关系，初始试验力F0=182 kN，120h后剩余试验力Fr=176．8 kN，由式(2)计算松弛率为2．86%。可以得出两者之间的关系近似为一条直线，使用最小二乘法线性回归后得到关于时间的方程式(3)，即为时间对数与钢绞线应变的关系表达式。
Fr=－1．065 6lg(t)+178．597 6。(3)
松弛试验过程中保持钢绞线总位移不变，试验力逐渐减小，钢绞线的松弛应变也在逐渐减小。将松弛应变和式(1)计算得出的应变对比，可以发现计算应变比松弛应变大。随着松弛时间增加，加载力减小，相应的弹性变形量也会减小，而松弛应变减小得更多。松弛试验中损失的部分应变即是塑性变形量，在松弛试验开始阶段，塑性变形增长较快，速率较大;之后的较长时间内，变形稳定，变形速率接近于零;在试验结束时变形速率稍微加大。此试验可以得出松弛过程中塑性应变的变化规律。
随着全国各地基础建设的开展，预应力工程也越来越引起人们的重视。为了提高结构的抵抗外载荷的能力和结构安全性，研究预应力混凝土结构的性能很有必要。本文基于工程实践中出现的问题，运用试验和计算的手段，探究预应力钢绞线的断丝检测方法、应力松弛试验、预应力锚组试验以及对锚具进行数值模拟和尺寸探讨，获得了较为可靠的试验数据和结果，为预应力工程提供一定参考。
参考文献：
[1]吴浩,预应力筋用锚具、夹具和连接器[S].北京:中国标准出版社,2018.
[2]李建,预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程[S].北京:中国标准出版社,2018