国产1860级低松弛预应力钢绞线疲劳性能研究_马林

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2000.05.006

国产1860级低松弛预应力钢绞线疲劳性能研究——马　林21

国产1860级低松弛预应力钢绞线疲劳性能研究

铁道部科学研究院铁建所　马　林

　　摘　要　阐述钢绞线疲劳破坏机理,介绍国外钢绞线疲劳试验研究成果,分析最近完成的20多组国产钢绞线的疲劳试验结果,提出国产1860级低松弛预应力钢绞线S-N曲线和疲劳强度特征值。　　关键词　高强度　低松弛　预应力　钢绞线　疲劳

1　概述

“八五”期间,铁道部建设司曾组织对预应力钢绞

线疲劳性能进行试验研究。由于当时我国钢绞线生产

工艺水平还较低,工程上大量使用的是1570级普通松

弛钢绞线,因此疲劳性能的试验研究只能针对这类钢

绞线。自1986年引进第一条低松弛钢绞线生产线后,

我国钢绞线生产进入了一个新的发展时期。10年间相

继引进了近20条高强度低松弛钢绞线生产线,并陆续

投产,产品的质量和产量稳步提高;同时与之相配套的

锚夹具和张拉设备也日趋成熟和完善。目前,国产1860

级低松弛钢绞线已在工程上广泛应用,但对其疲劳性

能尚未进行过系统的试验研究,有关规范也未规定相

应的设计疲劳强度值。为此,结合国外同类产品疲劳性

能的研究成果,在调查国内有关厂家的钢绞线生产与

质量状况的基础上,选择有代表性的试样,系统地进行

了疲劳性能的试验研究,提出1860级低松弛预应力钢

绞线S-N曲线和疲劳强度特征值。

2　钢绞线疲劳破坏机理

大量钢绞线疲劳破坏试验研究结果表明,钢绞线

的疲劳强度和疲劳破坏机理不同于高强度钢丝。钢丝

的疲劳破坏主要是由钢丝表层缺陷引起,而钢绞线则

主要由各钢丝间的擦伤疲劳(frettingfatigue)引起。擦

伤疲劳最早是在机械工程中发现的,其破坏是由变化

的轴向应力、摩擦应力、侧向压力和滑移等因素共同作

用所引起。“擦伤”是指在上述重复荷载作用下材料发

生摩损、腐蚀,促使表面裂缝提前出现。擦伤疲劳破坏

机理可用图1表示。2个物体受到侧向力Q的夹紧作用,

即使这个侧向力很小,在2个粗糙的内表面之间也会产

生极大的局部接触压应力,其值往往大于材料本身的

弹性极限,引起局部的塑性变形;在重复荷载作用下接

触面之间出现相对位移0.1～300μm,金属表面的氧

化膜很快被擦掉,在局部侧向压力作用下,2个粗糙的

(也称接);触表图1　擦伤疲劳破坏机理面相对滑移,使熔合在一起的这些接触点产生破坏并又形成新的熔合点,从而产生表面磨损并引起表面开裂。此后裂缝发展速度与钢丝疲劳破坏相似,主要取决于轴向应力的变化幅度。钢绞线通常是由1根中心丝和6根边丝捻制而成,相互接触,并存在一定的接触压力,这些拔制的钢丝并不是理想的圆截面,表面也不是理想状态的光滑,而是有一定的椭圆度和粗糙度;因此,对于钢绞线这样的多元体系材料,正常情况下其疲劳性能主要取决于接触表面之间的擦伤疲劳,疲劳强度通常低于钢丝。3　国外钢绞线疲劳试验研究成果在相同试验条件下,试件的自由长度会影响钢绞线疲劳试验结果的离散性。试件越长,越能代表实际结果。图2为瑞士联邦材料试验室(EMPA)进行的不同试件长度第一根钢丝破断时疲劳寿命分布的试验结果。钢绞线疲劳加载下限应力为0.51f①pu,疲劳应力幅为350MPa;试件长度分为1、2m和10m三种,相应的加载频率分别为3.5、3.5Hz和2.1Hz。其中短试件的疲劳寿命离散性大;基于以上现象,钢绞线疲劳性能试验应尽可能采用较长的试件。EMPA对60根不同长度钢绞线疲劳断口检查证实,钢绞线疲劳源绝大多数发生在边丝与边丝接触表面上。断口检查结果见表1。从表1①fpu是国际通用的钢绞线标准抗拉强度的符号,对

f

22铁道标准设计　

2000年5月第20卷第5期

可看出随试件长度的降低,疲劳破坏起因于钢丝表层原始缺陷的比例增大

。

试验是在瑞士Amsler500kN疲劳机上进行;考虑到试件长度对钢绞线疲劳寿命离散性的影响,本次试验取试件长度为2750mm;两端采用特制夹具进行锚固,加载频率4Hz。试件钢绞线破断荷载270.1kN,伸长率5.0%,弹性模量2×105MPa

根据我国铁路桥梁17套标准图(包括采用1860级低松弛钢绞线标准梁图)的统计,疲劳应力下限在0.50～0.51fpu之间,本次疲劳试验所采用的疲劳下限应力定为e950MPa,选择Δe=390、360、315、270、min=225、195MPa六种应力幅进行疲劳加载;每种应力幅计划有效试验结果3个,共进行了40个试件的试验,其中有效试件23个。试验结果列于表2和图3。

表2　1860级钢绞线疲劳试验

MPa8.9

1340

950

390

13.2

8.215.0

1310

950

360

12.211.320.1

1265

950

315

33.420.735.0

1220

950

270

45.335.662.4

1175

950

225

98.061.273.5

114513401310126511751145

950950

195390360315225195

88.5197.08.512.028.249.0200.0

图2　不同试件长度钢绞线疲劳寿命分布表1　两类疲劳破坏断口的试样根数比较试件长度/m

0.51.02.010.0总计

疲劳源位置

钢丝表层原始缺陷

3

*6

序号12

34567891011121314151617181920212223

应力上限应力下限应力幅疲劳寿命/万次

2根钢丝接触表面

117141648

2112

　　*制造和运输过程中钢绞线表面可能有损伤。

美国得克萨斯大学Paulson等人,在对不同厂家生产的700余根钢绞线疲劳试验结果的统计分析和补充试验的基础上,也提出过270级(相当于我国1860级)钢绞线(ASTMA416)的S-N曲线,其表达式为:

logN=13.93-3.5logΔe式中　N——疲劳寿命,次;

　Δe——疲劳应力幅,MPa。

当N=2×10时,Δe=151MPa(99.7%保证率)。

4　国产1860级低松弛预应力钢绞线疲劳性能试验

从1860级低松弛钢绞线生产企业的调查情况来看,国产盘条正逐步取代进口盘条,冶金系统也已制定了盘条的国家标准,国产盘条已可满足生产1860级低松弛预应力钢绞线的要求。因此,在征求冶金系统意见后并考虑到盘条国产化的趋势和试件的代表性,确定本次疲劳试验试件主要选用新华金属制品股份有限公司的产品,其盘条为马鞍山钢铁公司产品,生产盘条的钢坯为宝山钢铁公司产品。另外还选用了天津市第一预应力钢丝有限公司和秦皇岛预应力钢绞线联营公司。

6

(1)

注:①表中序号1～18为江西新华金属制品公司产品,序号

19、20、22为秦皇岛钢绞线联营公司产品,序号21、23为天津市第一预应力钢丝公司产品;　　②断口部位均在试件中间,序号23未断;

　　③疲劳源位置除序号9、21在边丝自由表面外,其余均在

边丝与边丝接触面。

5　试验结果分析

(1)1860级低松弛预应力钢绞线S-N曲线采用双对数关系进行疲劳试验结果分析,对表2中18组数:

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logN=14.07-3.498logΔe取99.7%保证率后,则可写成:LogN=13.84-3.498logΔe绞线S-N曲线表达式为:

logN=13.84-3.5logΔe当N=2×106时,Δe=143MPa

(2)(3)

绞线而言,开裂截面上预应力筋疲劳应力幅为空气中的64%。美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO)1994年制定的《美国公路桥梁设计规范》规定,对管道曲线半径大于9m,预应力钢绞线疲劳应力幅限值为125MPa;对管道曲线半径小于3.6m,预应力钢绞线疲劳应力幅限值为70MPa。1992年版《日本铁路结构设计标准和解释—混凝土结构》规定,预应力钢绞线疲劳应力幅值为125MPa(e0.51fpu)。min=

鉴于目前国内尚未开展过这方面的研究,参照国外的研究结果和国外规范的取值,结合国产1860级低松弛钢绞线在空气中的疲劳试验结果,建议对开裂截面上1860级低松弛钢绞线疲劳应力幅限值Δe暂取105MPa。

7　结论与建议

(1)钢绞线的疲劳强度和疲劳破坏机理不同于高强钢丝,钢绞线的疲劳破坏主要由其各组成钢丝接触面之间的擦伤疲劳损伤引起,疲劳强度要低于高强钢丝。分析表明,钢绞线疲劳试验应尽可能采用较长的试件。

(2)国产1860级低松弛预应力钢绞线S-N曲线表达式建议采用logN=13.84-3.5logΔe,疲劳应力幅特征值Δe=143MPa;对不容许开裂的预应力混凝土结构,疲劳应力容许幅值建议为140MPa。

(3)对于容许开裂的部分预应力结构,由于存在钢绞线与管道之间的擦伤疲劳损伤,钢绞线疲劳应力幅取值还应降低。鉴于国内尚无开裂截面的预应力钢绞线疲劳试验资料,根据国外试验结果和国外设计规范取值,建议暂取疲劳应力容许幅值Δe=105MPa。

(4)目前我国1860级低松弛钢绞线生产厂家较多,而国家标准对钢绞线的疲劳性能要求尚未作出规定,因而厂家对疲劳性能还没有引起足够的重视。根据试验结果,国产钢绞线的疲劳性能与国外相比还存在一定的差距,因此用于铁路桥梁的钢绞线应加强对疲劳性能的检验。参考文献

1　GregorP.Wollmann,DavidL.Yates,JohnE.Breen,etal.FrettingFatigueinPost-TensionedConcertBeams.StrucfuralJournal,1996,March-April

2　VolkerEssliger,LeoVincent,YoshitoTanaka.Experi-mentalExecutionandResultsofFatigueTestwithPrestress-ingSteel.MADRID:IABSEWORKSHOPELPAULAR,1992

ACI

根据以上分析,建议我国1860级低松弛预应力钢

(4)

(2)对表2中3个厂家的22个钢绞线试件进行统计分析,结果如下:

logN=14.01-3.475logΔe取97.7%保证率后,则可写成:logN=13.78-3.475logΔe

(

6)(5)

图3　疲劳试验结果

　　当N=2×106时,Δe=142MPa。

对比式(4)、(6),两者基本一致,说明取式(4)为我国1860级低松弛钢绞线S-N曲线的表达式是合理的。

将式(4)、(6)与国外钢绞线疲劳试验结果式(1)进行比较,从S-N曲线的截距和斜率来看,3条曲线基本一致。

(3)钢绞线疲劳源绝大部分出现在边丝与边丝的接触面上,个别出现在自由表面上。说明国产钢绞线疲劳破坏特征与国外钢绞线疲劳试验结果相一致,证实钢绞线的疲劳破坏主要是由于钢绞线边丝与边丝之间的擦伤疲劳引起的。

6　对开裂截面钢绞线疲劳应力幅限值的建议

本次为空气中1860级低松弛钢绞线的疲劳性能试验。根据近年来各国的研究结果,对于容许开裂的部分预应力混凝土结构,由于在开裂截面上存在预应力筋与管道之间的擦伤疲劳损伤,预应力筋的疲劳强度会降低。美国得克萨斯州立大学对空气中和开裂截面上的1860级低松弛钢绞线对比试验结果表明,开裂截面上钢绞线疲劳应力幅为空气中的73%。德国慕尼黑工大、亚琛工大和瑞士苏黎世工大也先后对空气中和开裂截面上预应力筋的疲劳性能进行了对比试验研究,;(来稿日期　2000-01-05)