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高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨

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高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨 高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨 公路交通技术2007年6月第3期TechnologyofHighwayandTransportJun.2OO7No.3 高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨 姚慧芳,陈德荣,王钦堂 (1.上海浦江缆索股份有限公司,上海201314;2.浙江省舟山连岛工程建设指挥部,浙江舟山316033; 3.中铁大桥局桥梁科学研究院,武汉430034) 摘要:根据多年来对高强钢丝和钢绞线松弛问题的试验研究,结合目前业内人士对松弛问题的关注情况,以实践 经验为依据,发表笔者的看法...
高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨
高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨 高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨 公路交通技术2007年6月第3期TechnologyofHighwayandTransportJun.2OO7No.3 高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨 姚慧芳,陈德荣,王钦堂 (1.上海浦江缆索股份有限公司,上海201314;2.浙江省舟山连岛工程建设指挥部,浙江舟山316033; 3.中铁大桥局桥梁科学研究院,武汉430034) 摘要:根据多年来对高强钢丝和钢绞线松弛问题的试验研究,结合目前业内人士对松弛问题的关注情况,以实践 经验为依据,发表笔者的看法和观点,尤其突出对斜拉索松弛问题的探讨,以期起到借鉴作用. 关键词:高强钢丝和钢绞线;松弛;低应力;二次应力;斜拉索 文章编号:1009—6477(2oo7)o3—0134—03中图分类号:U444文献标识码:B DiscussiononHighStrengthSteelWireandSteelStrandSlack YaoHuifang,ChenOerong,WangQintang 随着钢材生产技术的不断提高,预应力钢材在 桥梁,隧道和高层建筑等结构中得到广泛应用,使结 构的跨越能力,承载能力,耐久性及抗震性能有了很 大的提高.但是对预应力钢丝和钢绞线中松弛问题 的讨论却一直没有停止过,甚至讨论的矛盾问题相 当尖锐,也是设计和施工中关注的焦点问题.笔者 通过对此问题的长期跟踪研究,结合国内外的应用 状况,对预应力钢丝和钢绞线的松弛问题提出自己 的看法,希望引起业内人士的共鸣., 1高强钢丝和钢绞线松弛(简称预应力筋) (1)预应力筋的松弛是指预应力筋受到一定的 张拉力后,在长度和温度保持不变的条件下,预应力 筋的拉应力随时间增长而降低的现象.预应力筋的 松弛试验通常在温度20?,初始应力范围(0.6, 0.8)的情况下进行.习惯把l00oh发生的松弛 作为推断长期松弛的依据,乘以放大系数作为结构 使用寿命的长期松弛损失.对常规试验可以用100 h发生的松弛损失来推断1000h的松弛量.试验 表明,松弛在最早时间内非常显着,且初应力越高松 弛损失越大,但却要持续数十年才能完成.目前大 多以0.7a情况下的松弛损失来计算长期损失,对 较低应力状态下的松弛问题人们往往会忽视. (2)预应力筋经冷拔处理,预应力松弛损失较 大,另外钢绞线经缠纽处理相对更大.对涂敷防护 镀层的钢绞线,试验表明其松弛损失比光面钢绞线 要大,温度对预应力筋松弛的影响比较显着.在进 行松弛常规试验时必须严格控制试验温度,否则试 收稿日期;2006—12—13 验结果将产生很大的偏差.由于应力松弛随温度的 升高而增加的影响会长期存在,因此,在经常受到高 温影响的地区采用预应力筋时应考虑温度的影响. (3)预应力筋松弛一般分为普通松弛和低松 弛,或者分为I级松弛和?级松弛.往往把松弛率? 8%预应力筋称为普通松弛预应力筋,松弛率? 2.5%的预应力筋称为低松弛预应力筋.普通松弛 预应力筋一般用于不进行疲劳计算的结构,如悬索 桥用索股,普通预应力结构;低松弛预应力筋一般用 于考虑疲劳作用的结构,如斜拉索,体外预应力结构 等. 2松弛对不同预应力筋结构性能的影响 松弛的产生所造成的预应力损失对不同预应力 结构产生的影响各有不同,尤其当锚固方式不同时, 松弛产生的影响更存在较大的差异. (1)光面高强预应力钢丝和钢丝束.按照美国 后张预应力协会(PI1)规范要求,普通松弛和低松弛 光面预应力钢丝在正常工作应力状态下(约0.4a) 的松弛可忽略不计. (2)镀锌高强钢丝和钢丝束.钢丝的松弛性能 由钢丝的加工方式(工艺)决定,要得到低松弛性能, 钢丝一定要经过稳定化处理(钢丝在受一定张力的 同时加热到一定的温度并持续一定时间,也称形变 热处理),低松弛高强钢丝松弛率低,直线性好,屈服 强度高;对于普通松弛钢丝,特别是镀锌钢丝经过高 温熔铅脱脂,热浸镀锌和规圆处理的加工,松弛率能 够保证8%以下,并且与锚具的连接方式大都为热 2007年第3期姚慧芳,等:高强钢丝和钢绞线松弛问题探讨135 铸(锌铜合金)和镦头冷铸(环氧填料),因此松弛的 影响较小,抗疲劳性能强. (3)普通(光面)钢绞线.普通钢绞线是由高强 钢丝绞制而成,多为7@5rain.螺距约为直径的15 倍,经回火处理而成.普通钢绞线与高强钢丝的松 弛性能相似,但由于经过绞制处理,其蠕变性能在使 用状态下较明显.PTI规范要求对考虑疲劳影响的 结构应该采用低松弛级别钢绞线.锚具连接大多为 夹片锚固方式,因此其锚固性能是关注的焦点,对夹 片性能和张拉方式要求较高. (4)镀锌和镀锌铝钢绞线.镀锌和镀锌铝钢绞 线是由镀锌或镀锌铝高强钢丝绞制而成,镀层与钢 基熔为一体,与普通绞线的松弛损失稍有增加,变化 量不大.但由于经过镀层处理绞线直径存在偏差,因 此除了对普通绞线的要求外,对直径偏差要求较高. (5)环氧涂层钢绞线.环氧涂层钢绞线是由普 通预应力钢绞线在解束打开的条件下进行喷砂打 磨,并对每根钢丝进行静电喷涂环氧树脂.每根钢 丝上的环氧涂层非常薄,厚度仅为150/an,其松弛 值约为低松弛普通钢绞线的2.5倍.除了与镀锌和 镀锌铝钢绞线相同的要求之外,由于采用喷涂方式, 单丝之间夹有涂层,蠕变较突出,涂层的均匀性成 为重要控制指标,对夹片和钢丝的直径偏差要求更 高. (6)超耐久性钢绞线.超耐久性钢绞线是Et本 神钢钢线工业有限公司根据美国佛罗里达线缆公司 最早开发的环氧绞线理念研制,与ASTMA882/ ASS2M(环氧树脂涂层预应力7丝钢绞线》相类 似.笔者对这一点的见解与国内大多数业内人士的 看法不一致.其采用低温压力注射法,将钢绞线内 部空隙用热可塑性树脂完全填充,表面用树脂覆盖. 由于其制作时无需解束打开钢绞线,低温作业对松弛 性能的影响不明显,但对锚具配套系统的要求较高. 3国内外对松弛问题的看法 对预应力筋的松弛问题,不同的国家,不同的理 念看法不一. (1)美国和欧洲对松弛问题给予很大的关注. 在美国Et照高架桥(sunshineskywaybridge)上更不惜 花费300多万美元对环氧钢绞线的松弛问题进行研 究.由于欧洲推广使用钢绞线,为解决松弛等问题 的影响,形成了专门的预应力张拉体系,如瑞士VSL 体系,法国Freyssinet体系等. (2)Et本对松弛问题却看得较轻,并且对预应 力筋不作松弛试验.Et本四国连络桥设计标准上对 松弛根本没有要求. (3)由于我国预应力技术发展较滞后,因此也 在一直不断学习发达国家的先进经验,对松弛问题 也产生了不同的流派,但总体上对松弛问题比较重 视.规范给予严格的标准,对预应力筋都要求进行 松弛试验,只是对不同的结构重视程度不同而已. 4不同应力状态下的松弛影响 预应力筋经过冷拔处理屈服强度愈来愈高,已 达到0.9a,张拉控制应力也在逐步提高.目前大 多预应力结构只是考虑高应力(0.7a以上)状态下 的松弛问题,而对较低应力状态下则考虑甚少. (1)对于冷铸锚和热铸锚体系,由于预应力筋 已与铸体熔为一体,只要铸体强度足够就不会出现 锚固失效问题,松弛损失计算比较方便. (2)对于夹片锚体系用于普通预应力或体外预 应力结构,预应力筋张拉应力接近屈服强度,与锚具 的连接处于强张紧状态,应力变化幅度较小.只要 夹片不断裂就不会出现锚固失效问题. (3)对于钢绞线用于疲劳应力下的索结构,往 往都处于低应力(0.6a以下)状态,甚至在0.4a以 下,应力变化幅度较大,且对每一次应力调整,都是 一 次松弛初始应力的施加.根据目前低松弛预应力 损失松弛计算的公式,当?0.7a时,=0.125 (a/a一0.5).可以推算出,当应力变化时,松 弛变化为=0.125zSa(I+2—0.5a6)/a6,式中 为松弛损失,为张拉应力.从公式中可以看出 松弛随应力变化量的增大而增加.此时预应力筋与 锚具处于非强张紧状态,在疲劳作用下,应力不断调 整,与夹片的夹持力不断变化.当钢绞线的蠕变,夹 片与钢绞线的夹持面不均匀,涂层不均匀,钢绞线直 径不均匀等同时存在时,就可能产生夹片断裂,错 台,滑移,造成锚固失效.因此笔者认为在低应力状 态下的疲劳结构中应谨慎使用涂层钢绞线,在高应 力状态下具有更高的安全性. 5斜拉索松弛及应用实例 5.1斜拉索松驰 预应力筋已广泛用于悬索桥主缆索股,吊索,斜 拉索,预应力混凝土结构,地锚,岩锚,体外预应力结 构,无粘结预应力结构,旧桥加固等.由于其超强的 136公路交通技术2007血 抗拉能力,已成为结构主体的主要受力构件. 对高强钢丝用于各种预应力结构在技术上都是 可行,国内外的看法比较一致,甚至有些专家在进行 斜拉桥二次应力计算时发现斜拉索锚头部位的二次 应力并不大,已考虑将普通松弛钢丝用于钢箱梁斜 拉桥的斜拉索结构.本文对高强钢丝不再列举实 例.但对预应力钢绞线的应用却存在着一些疑问. 用于普通预应力结构和体外预应力筋争议不大,但 用于低应力疲劳结构中时仍存在较大的争议.钢绞 线索的优势是可以单束张拉,施工便捷,易于更换. 如果此优势不能得到有效的发挥,则使用范围将受 到限制. 5.2应用实例 (1)厦门同安银湖大桥(80+80)m.该桥为部 分(矮塔)斜拉桥,此种桥型在日本应用较多.斜拉 索类似于体外预应力结构,但笔者认为其存在较大 的不同,张拉应力仅为(0.5,0.6),且设计时以体 外预应力结构来考虑,没有对松弛问题进行,造 成夹片大量断裂,错台较严重.根据设计,采用 环氧全涂钢绞线目的是为了单束张拉单束锚固及单 束换索,但由于诸多问题的发生,不得不进行整体张 拉,锚头全部浇铸.为了防止夹片外移,锚圈后端增 设锚固后板,已无法达到单束更换的要求. (2)润扬长江公路大桥北汉斜拉桥(176+406+ 176)m.由于涂层绞线存在(1)的问题,润扬长江公 路大桥北汊斜拉桥采用光面钢绞线,安装效果要好 得多,但防腐性能有所降低.经检查也存在少量夹 片断裂的问题. (3)安庆长江公路大桥(50+215+510+215+ 50)m.该桥以斜拉索结构来考虑,使用涂层钢绞 线,为了保证夹片夹持能力,将锚固区的钢绞线涂层 打磨掉,也就失去了它的防腐优势.在安装过程中 由于施工工期长,雨水量大,造成部分夹片处钢绞线 生锈.设计方案是单束张拉单束锚固单束换索,但 担心由于松弛造成锚固失效也将锚头进行浇铸,并 增加了锚固后板,未能达到单束换索的目的. 经过以上这些项目的验证,国内专家对松弛问 题给予了更大关注,逐步将原设计钢绞线索结构变 更为平行钢丝索结构,如苏通长江大桥,湛江海湾大 桥,香港昂船洲大桥等.舟山西堠门大桥为了保证 松弛问题,将松弛常规试验比例提高到l0倍以上, 苏通长江大桥也大大增加了检验比例.新型预应力 筋在引进国外先进技术的前提下应结合国内相关配 套系统的研发能力,在设计理念和上争取 更大的突破. 6结论' (1)对考核疲劳性能的预应力结构应重视松弛 影响,尤其要关注预应力筋与锚具的匹配能力. (2)目前对高应力状态下的松弛问题考虑较 多,往往忽视低应力状态下的松弛影响. (3)钢绞线的松弛问题应该结合其应用的结构 体系进行综合考虑,与张拉体系是否成熟存在较大 的关系. (4)涂层钢绞线在低应力疲劳结构和夹片锚体 系中应谨慎使用. (5)在斜拉桥设计中不能把斜拉索作为体外预 应力结构. 参考文献 [1]金成棣.桥梁结构轻型化与造型艺术[M].北京:人民 交通出版社,2002. [2]张正基.斜拉索用Pc钢丝钢绞线的种类与防腐分析 [J].金属制品,2003(2). [3]王钦堂.环氧全涂钢绞线在斜拉索中的应用[J].桥梁 建设,2(}02(6). [4]WalterPodolny,Jr.Doctor.美国斜拉索的演变[c]//中国 公路学会桥梁和结构工程学2002年全国桥梁学术会 议集.北京:人民交通出版社,2002. [5]宋玉普.新型预应力混凝土结构[M].北京:机械工业 出版社,2006. [6]林长川.悬索桥主缆的二次应力[C]//第十一届全国桥 梁学术会议论文集.北京:人民交通出版社,1994.
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