高温下及负载高温后1770级钢绞线力学性能研究

Study on mechanical properties of 1770 grade steel strand at high temperature and after high temperature loading

摘要

针对1770级钢绞线在高温下及负载高温后的力学性能进行系统的试验研究，提出高温下及负载高温后钢绞线力学性能指标的折减系数及其拟合公式. 采用非接触式XTDIC三维应变测量系统，对钢绞线在20~600 ℃范围内的拉伸性能进行测试，分析其屈服强度、极限强度、弹性模量及应变等力学参数的变化规律. 试验结果表明：在200 ℃及以下温度时，钢绞线的力学性能变化较小且破坏呈脆性特征；温度升至300 ℃及以上时，力学性能显著下降，塑性变形逐渐增加；600 ℃时屈服强度和极限强度分别降至常温的9%，弹性模量降至10%，钢绞线几乎完全丧失其承载能力. 此外，负载高温后钢绞线的力学性能受初始应力水平影响显著，尤其在400 ℃及以上温度作用后，钢绞线初始应力越大其力学性能退化越明显.

Abstract

In this study， the mechanical properties of 1770-grade steel strands at elevated temperature and after thermal exposure are systematically studied. The reduction coefficient and its fitting formula of the mechanical properties of steel strands under the two conditions are proposed. The tensile properties of steel strands in the temperature range of 20 to 600 ℃ were tested by a non-contact XTDIC three-dimensional strain measurement system， and the variation rules of mechanical parameters such as yield strength， ultimate strength， elastic modulus， and strain were analyzed. The test results show that the mechanical properties of the steel strand change slightly and exhibit brittle failure at temperatures of 200 ℃ and below. When the temperature reaches 300 ℃ and above， the mechanical properties deteriorate significantly， and the plastic deformation increases gradually. At 600 ℃， the yield strength and ultimate strength are reduced to 9% of the normal temperature， and the elastic modulus is reduced to 10%. The steel strand almost completely loses its bearing capacity. Besides， the mechanical properties of steel strands after high-temperature loading are significantly affected by the initial stress level. Especially after the temperature reaches 400 ℃ and above， the greater the initial stress of steel strands， the more obvious the degradation of mechanical properties.

Graphical abstract

关键词

钢绞线 / 预应力 / 高温 / 力学性能 / 火灾安全

Key words

steel strand / prestressing force / high temperature / mechanical properties / fire safety

拉索在大跨度空间结构中的应用极为广泛，在体育场馆、展览馆、机场航站楼等建筑中最为常见，如弦支穹顶结构体育场^［1］及张弦梁结构机场航站楼^［2］等. 此类大跨度结构通常应用于人流密集的建筑，因其特殊结构和使用特点，往往成为火灾易发区域. 在火灾高温环境下，拉索材料的力学性能会发生显著变化，可能导致承载力下降、延性降低，甚至发生断裂，从而影响结构的整体安全. 因此，研究拉索高温下及负载高温后的力学性能，可为预应力张拉结构火灾高温条件下的结构响应分析以及火灾后结构受力性能评估提供可靠依据.

钢丝和钢绞线在高温下的力学性能已在ACI 216.1-14^［3］、PCI^［4］和EN 1992-1-2^［5］等标准中形成较完善的体系.国内外学者也对钢绞线高温下力学性能做了一系列研究.范进等^［6］对钢绞线进行了高温下的稳态拉伸试验.宗钟凌等^［7］从一根钢绞线边丝中截取了若干钢丝，对钢丝进行高温下的拉伸试验. 张昊宇等^［8］对1860级低松弛钢绞线进行了高温下的力学性能研究.杜咏团队^［9-11］在此领域持续深耕，针对钢绞线及平行钢丝束开展了高温下的力学性能研究. Shakya等^［12］通过试验探讨了温度对低松弛预应力钢绞线力学性能的影响.

Sun等^［13-14］拓展至涂层材料与热力耦合效应，推导出了热力耦合状态下变形、温度和初始应力之间的关系方程，并将研究拓展至不锈钢拉索，探究其在无应力状态下的热膨胀、热-力耦合状态下的变形. Gálvez等^［15］从极端条件工程防护视角切入，对预应力钢丝开展了高低温多工况对比研究.Liu等^［16］通过对1860级高强钢丝和钢绞线的静态拉伸试验，发现捻制工艺可改善高温性能.楼国彪等^［17］则通过对比试验结果与欧洲规范，分析了1860级钢丝和钢绞线的破坏模式、应力-应变关系及力学性能. Abdulridha等^［18］通过创新性试验设计进一步拓展研究维度，在不同荷载与高温组合下对钢绞线进行了稳态试验.

国内外学者对高强钢丝及钢绞线高温蠕变及疲劳性能进行了多工况试验. 周焕廷等^［19］通过对钢绞线进行蠕变试验，分析不同温度和应力水平下蠕变随时间的变化规律. 周浩等^［20］以1860级预应力钢绞线为研究对象，推导出热膨胀系数的计算公式. 张绅等^［21］将研究对象聚焦于更高强度的1960级钢丝. Wang等^［22］研究了位移幅值对钢丝在低周疲劳条件下的微动疲劳行为的影响.

目前，针对高温环境下钢绞线力学性能的研究主要集中于1670级和1860级，而对1770级钢绞线高温下的力学特性尚缺乏系统的试验研究. 此外，现有研究多集中于钢绞线在高温下的力学性能，即材料在受热同时承受荷载的响应. 而对于经历火灾高温后冷却至室温的材料力学性能，即高温后剩余性能的研究相对较少且不够系统^［23-24］.

本文对1770级钢绞线进行了高温下及负载高温后的拉伸试验，得到了应力-应变全过程曲线，建立了强度、弹性模量等力学性能指标计算方法. 研究结果为预应力张拉结构火灾高温条件下的结构响应分析及火灾后的性能评估提供了材性数据.

1 高温下钢绞线拉伸性能研究

1.1 试验装置

由于常规应变片无法在高温条件下使用，且引伸计测量时钢绞线可能会出现打滑现象，影响测量结果，故本研究采用非接触式XTDIC三维应变测量系统进行高温应变采集. 试验系统主要由以下组件构成：①微机控制电液伺服万能试验机作为加载装置；②管式高温炉（炉膛尺寸500 mm×80 mm，最高工作温度900 ℃）提供高温环境；③XTDIC三维全场应变测量系统实现非接触式应变采集.

高温炉的上下开口使热量流失，造成试验机夹具区域温度升高，影响夹具的机械性能和夹持稳定性，进而影响试验结果. 故在试验中使用耐高温隔热棉对上下口进行密封处理并包裹在高温炉四周，使高温炉内的温度更稳定并避免高温炉影响试验机的夹持效果. 高温静力拉伸性能试验装置如图1所示.

1.2 试验构件

本研究选用1770级钢绞线为研究对象.该钢绞线由7根直径为5 mm的钢丝绞合而成，公称直径为15.24 mm，公称截面积为139 mm².根据高温炉的高度及万能试验机横梁的最大位移量，设计钢绞线长度为1 200 mm，其材料化学成分（质量分数）如表1所示. 在钢绞线高温区段内布置3个K型热电偶（布置方式如图2所示），以实时监测温度分布.

在钢绞线试件高温区段内使用耐高温油漆均匀喷涂黑白相间的散斑带，高温拉伸前钢绞线表面高温漆喷涂标记如图3所示. 通过DIC系统中的双高清摄像机，同步采集试件在不同变形阶段的散斑图像，依据像点视差信息复原其表面测点的三维坐标，并通过分析各变形状态下测量区域内点的三维坐标差异，计算出试件表面的应变场.

1.3 试验步骤

1）对试件施加预载并持荷2 min，确认装置一切正常后卸掉预载.

2）开始升温，升温速率为15 ℃/min，温度达到指定温度后保持恒温15 min.

3）开始加载，加载过程采用定位移控制，加载速率为10 mm/min.

11个钢绞线试件的试验温度分别为20（常温）、100、200、250、300、350、400、450、500、550、600 ℃.

1.4 试验现象分析

钢绞线在常温（20 ℃）下拉伸时，万能试验机夹头齿纹处因应力集中断裂，断裂钢丝崩裂发生解旋现象；100 ℃时破坏现象与常温下基本一致；在200 ℃及以上时，随温度升高钢绞线受高温软化作用的影响，其塑性变形显著增强，断裂前出现明显颈缩现象，且温度越高颈缩现象越显著. 此外，高温导致钢绞线表面的防腐涂层被分解，释放刺激性气体和白色烟雾. 涂层消失后钢绞线显现出其原本的金属光泽. 600 ℃时钢绞线断裂口处呈尖状，钢绞线断裂时不再发出剧烈的响声，而是只有很轻的一声闷响. 各温度水平下钢绞线拉伸破坏状态如图4所示.

1.5 试验结果分析

试验中通过微机控制电液伺服万能试验机记录试件拉伸过程中的荷载-位移曲线. 此外，通过使用XTDIC系统对所得到的图片数据进行分析处理，得到钢绞线试件的应力-应变曲线. 高温下钢绞线拉伸试验结果如图5所示.

试验结果表明：钢绞线试件的弹性模量、屈服强度以及极限强度随着温度的升高均有不同程度的降低；极限应变总体表现为先增大后减小的趋势，而其断裂应变表现出持续增大的趋势. 钢绞线高温力学性能指标试验值汇总数据如表2所示. 其中，f_{\mathrm{0.2}\mathrm{\%},T}表示温度为T时钢绞线的名义屈服强度；f_{\mathrm{p}\mathrm{t},T}表示温度为T时钢绞线的极限强度；E_{\mathrm{p}\mathrm{t},T}表示温度为T时钢绞线的弹性模量；{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{t},T}表示温度为T时钢绞线的极限应变；{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{u},T}表示温度为T时钢绞线的断裂应变.

1.6 力学性能高温折减系数及其公式拟合

表3汇总了各温度水平下钢绞线试件力学性能指标折减系数. k_{f_{\mathrm{0.2}\mathrm{\%}}}为屈服强度高温折减系数；k_{f_{\mathrm{p}\mathrm{t}}}为极限强度高温折减系数；k_{E_{\mathrm{p}\mathrm{t}}}为弹性模量高温折减系数；k{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{t}}为极限应变高温折减系数；k_{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{u}}}为断裂应变高温折减系数.

1.6.1 屈服强度高温折减系数

100 ℃时钢绞线的屈服强度与常温测试结果相比无显著差异.300 ℃时钢绞线试件的屈服强度显著下降.当温度升至600 ℃时，钢绞线几乎完全丧失承载能力，屈服强度下降超过90%.图6将试验所得数据与以往研究进行对比.由图6可知，本研究中钢绞线屈服强度高温折减系数与杜咏等^［9］、楼国彪等^［17］钢绞线试验以及Du等^［11］平行钢丝束试验结果基本相同且试验结果符合EN 1992-1-2^［5］中所给的数值.

1.6.2 极限强度高温折减系数

200 ℃及以下温度作用时钢绞线极限强度几乎不受温度影响，随着温度升高至300 ℃钢绞线的极限强度显著下降. 当温度到达600 ℃时极限强度高温折减系数降至0.1以下. 图7将试验数据与以往研究进行对比，各温度水平下极限强度高温折减系数与EN 1992-1-2^［5］中的建议值基本一致. 此外，试验结果与楼国彪等^［17］钢绞线试验值和Du等^［11］平行钢丝束试验值也基本相同，而与杜咏等^［9］钢绞线试验值相差较大，最大偏差为41.2%（300 ℃时）.

1.6.3 弹性模量高温折减系数

在400 ℃及以下时钢绞线的弹性模量受温度影响程度不大，而当温度超过400 ℃时钢绞线的弹性模量呈现加速退化趋势. 当温度到达600 ℃时，其弹性模量仅为常温下的10%. 弹性模量高温折减系数与以往研究的对比如图8所示，试验结果与杜咏等^［9］、楼国彪等^［17］钢绞线试验以及Du等^［11］平行钢丝束试验结果基本相同，但与EN 1992-1-2^［5］中给出的建议值存在较大偏差，600 ℃时偏差为75%.

1.6.4 应变高温折减系数

将极限应变高温折减系数和断裂应变高温折减系数试验结果与以往研究进行对比，如图9所示.极限应变高温折减系数与楼国彪等^［17］的试验值基本相符，表现出先增大后减小的趋势.断裂应变高温折减系数与楼国彪等^［17］的试验值偏差较大，在400 ℃时偏差达到75.9%.此外，EN 1992-1-2^［5］中给出的应变高温折减系数k_{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{t}}}、k_{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{u}}}与该试验结果也存在明显差异，故EN 1992-1-2对高温下钢丝应变的建议值不适用于此钢绞线.

1.6.5 高温折减系数曲线拟合

根据试验数据，绘制高温下钢绞线屈服强度、极限强度、弹性模量、极限应变和断裂应变的折减系数拟合曲线如图10所示.拟合公式见式（1）.

\left\{\begin{array}{l}{f}_{\mathrm{0.2}\mathrm{\%},T}/f_{\mathrm{0.2}\mathrm{\%}}=-\mathrm{3.459}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}{T}^{\mathrm{3}}+\mathrm{8.634}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}{T}^{\mathrm{2}}-\\ \mathrm{1.250}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}T+\mathrm{1.028}\\ f_{\mathrm{p}\mathrm{t},T}/f_{\mathrm{p}\mathrm{t}}=-\mathrm{3.485}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}{T}^{\mathrm{3}}+\mathrm{9.414}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}}{T}^{\mathrm{2}}-\\ \mathrm{1.550}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}T+\mathrm{1.026}\\ E_{\mathrm{p}\mathrm{t},T}/E_{\mathrm{p}\mathrm{t}}=-\mathrm{7.972}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{11}}{T}^{\mathrm{4}}+\mathrm{7.318}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}{T}^{\mathrm{3}}-\\ \mathrm{1.977}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}{T}^{\mathrm{2}}+\mathrm{1.560}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}T+\mathrm{0.975}\\ {\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{t},T}/{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{t}}=\mathrm{4.741}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}{T}^{\mathrm{3}}-\mathrm{1.836}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}{T}^{\mathrm{2}}+\\ \mathrm{1.104}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{2}}T+\mathrm{0.966}\\ {\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{u},T}/{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{u}}=\mathrm{3.165}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}{T}^{\mathrm{3}}-\mathrm{3.400}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}{T}^{\mathrm{2}}+\\ \mathrm{0.858}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{2}}T+\mathrm{0.990}\end{array}\right.（1）

式中：f_0.2%，T /f_0.2%为钢绞线的屈服强度高温折减系数；f_pt，T /f_pt为钢绞线的极限强度高温折减系数；E_pt，T /E_pt为钢绞线的弹性模量高温折减系数.

2 负载高温后钢绞线拉伸性能研究

2.1 试验构件

对负载高温后的钢绞线试件进行拉伸试验，研究不同应力水平下钢绞线在100、200、300、400、500、600 ℃高温处理后的力学性能. 试验所用的设备与高温下钢绞线拉伸性能测试中使用的装置相同，具体设备详见图1.

钢绞线在负载高温后被拉长且其高温段出现颈缩现象，故对负载高温前后钢绞线的长度和中间直径进行测量. 高温前钢绞线长度为L_b，直径为D_b；高温后钢绞线长度为L_a，直径为D_a. Δ_L表示高温前后钢绞线轴向伸长率，Δ_D表示高温前后钢绞线径向收缩率. 负载高温后钢绞线拉伸试验工况及试件编号详见表4，σ_u为钢绞线常温下名义屈服强度.

由表4可知，在300 ℃及以下，钢绞线的几何尺寸（包括长度和直径）未产生显著变化. 然而，当温度升至400 ℃及以上时，钢绞线表现出明显的热变形特征，其长度和直径均发生显著改变. 通过对比AHT-400-0.3、AHT-500-0.3和AHT-600-0.3三组试件可以发现，钢绞线的轴向伸长率和径向收缩率与受热温度呈正相关关系. 此外，对比AHT-400-0.3、AHT-400-0.5、AHT-500-0.3、AHT-500-0.5四组结果，发现：初始应力水平对钢绞线的轴向伸长率和径向收缩率有显著影响，且这种影响程度随温度的升高而加剧.负载高温后钢绞线试件如图11所示.

2.2 试验步骤

1）对钢绞线施加初始应力，当达到每根试件的目标负荷后控制通道保持不变.

2）对钢绞线试件进行加热，升至指定温度后保持恒温20 min.

3）停止升温并卸载，测量高温后试件的长度及直径.

4）对高温处理后的钢绞线试件开展常温拉伸试验，采用定位移控制模式，加载至试件破坏后，试验机自动停止.

2.3 试验现象分析

负载高温后钢绞线试件拉伸破坏形态如图12所示. 在不同初始应力条件下，300 ℃及以下温度作用后，钢绞线均于夹具端发生单根侧丝脆性断裂，断口平齐无颈缩现象；在400~500 ℃高温作用后，钢绞线断裂位置由夹具端转移至中部受热区，断口呈现明显颈缩. 此外，随着温度与初始应力的提升，断口塑性变形程度加剧，断裂后钢绞线发生整体解旋，部分断裂钢丝甚至完全脱离未断裂钢丝. 当温度升至600 ℃且初始应力为0.3σ_u时，钢绞线断口颈缩现象变得更加明显. 与500 ℃高温作用后的失效行为不同的是，此时钢绞线断裂后其余部分仍保持完整的螺旋结构.

2.4 试验结果分析

使用DIC三维应变测量系统采集数据并对数据进行处理，绘制负载高温后钢绞线荷载-位移曲线及应力-应变曲线如图13、图14所示. 图13为相同温度不同负载条件下钢绞线拉伸试验结果，图14为不同温度相同负载条件下钢绞线拉伸试验结果.

如图13所示，预应力钢绞线经300 ℃及以下温度作用后，其力学性能对初始应力表现出不敏感性；当温度为400 ℃及以上时，初始应力大小对钢绞线力学性能的影响逐渐显现，且随着温度的升高，初始应力大小对其力学性能的影响加剧.由图14可知，在恒定初始应力条件下，负载高温后钢绞线的力学性能呈现明显的温度依赖性，其强度指标随温度升高呈递减趋势.

负载高温后钢绞线力学性能指标试验值汇总如表5所示. 其中，f_{\mathrm{0.2}\mathrm{\%},T,\sigma }表示初始应力为σ的钢绞线经T温度作用后的名义屈服强度；f_{\mathrm{p}\mathrm{t},T,\sigma }表示初始应力为σ的钢绞线经T温度作用后的极限强度；E_{\mathrm{p}\mathrm{t},T,\sigma }表示初始应力为σ的钢绞线经T温度作用后的弹性模量；{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{t},T,\sigma }表示初始应力为σ的钢绞线经T温度作用后的极限应变；{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{u},T,\sigma }表示初始应力为σ的钢绞线经T温度作用后的断裂应变.

2.5 力学性能折减系数及其公式拟合

根据表6、表7数据，绘制钢绞线在负载高温作用后的强度及弹性模量折减系数随温度变化曲线如 图15所示，应变折减系数随温度变化曲线如图16所示.

根据图15、图16可知，预应力钢绞线的力学性能在300 ℃以下未发生显著退化，各项力学性能折减系数均稳定在1.0左右，表明该温度区间内材料性能保持稳定. 当温度超过300 ℃后，力学性能呈现明显退化：强度与弹性模量折减系数随温度升高呈线性下降趋势，且下降速率与初始应力水平正相关，采用线性函数的形式对其进行拟合. 分段拟合公式如式（2）所示. 此外，其变形能力指标则呈现分化特征，断裂应变折减系数随温度及初始应力增加而持续增长，而极限应变折减系数表现为先升后降的变化趋势，且对初始应力的敏感性较低.

根据拟合公式绘制折减系数随温度变化的拟合曲线如图17所示. 基于分段拟合公式计算得到的力学性能折减系数与试验结果的相对误差如表8所示. 分析结果表明：拟合公式计算结果与试验值吻合良好，各工况下的相对误差绝对值均小于20%，验证了该拟合模型具有较高的精度和可靠性. 因此，本研究提出的分段拟合公式能够有效表征负载高温后钢绞线力学性能参数随温度变化的退化规律.

（2）

3 结 论

本文采用非接触式XTDIC三维应变测量系统，开展了1770级钢绞线高温下及高温后的稳态拉伸试验研究. 基于试验数据，得出了钢绞线在火灾高温下及高温后的荷载-位移和应力-应变全过程试验曲线. 主要结论如下：

1）在200 ℃及以下温度范围内，钢绞线的力学性能变化不大，钢绞线试件呈现明显的脆性破坏特征. 温度升高至300 ℃时其力学性能显著下降. 当温度升至600 ℃时，屈服强度和极限强度降至常温时的9%，弹性模量降至常温时的10%，此时钢绞线几乎完全丧失其承载能力. 此外，随着温度的升高，钢绞线由于高温软化作用，其塑性变形也越来越大且颈缩现象愈加明显.

2）预应力钢绞线在300 ℃及以下高温作用后，其力学性能保持稳定且不受初始应力影响；温度超过300 ℃后，其强度及弹性模量显著降低，且初始应力值对高温后力学性能的影响逐渐增强.

3）通过系统试验，得出了1770级钢绞线在高温下及负载高温后的弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变、断裂应变等力学性能指标的折减系数，并对其进行数学回归分析，得出了其力学性能的高温折减系数函数模型.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52268029)

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