國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線疲勞性能研究

1、國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線疲勞性能研究馬林21國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線疲勞性能研究鐵道部科學研究院鐵建所馬林摘要闡述鋼絞線疲勞破壞機理,介紹國外鋼絞線疲勞試驗研究成果,分析最近完成的20多組國產(chǎn)鋼絞線的疲勞試驗結果,提出國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線S-N曲線和疲勞強度特征值。關鍵詞高強度低松弛預應力鋼絞線疲勞1概述面相對滑移,使熔合在一起的這些接觸點產(chǎn)生破壞并又形成新的熔合點,從而產(chǎn)生表面磨損并引起表面開裂。此后裂縫發(fā)展速度與鋼絲疲勞破壞相似,主要取決于軸向應力的變化幅度。1根中心絲和6,“八五”期間,鐵道部建設司曾組織對預應力鋼絞線疲勞性能進行試驗研究。由于當時我國鋼絞線生

2、產(chǎn)工藝水平還較低,工程上大量使用的是1570級普通松弛鋼絞線,因此疲勞性能的試驗研究只能針對這類鋼絞線。自1986年引進第一條低松弛鋼絞線生產(chǎn)線后,我國鋼絞線生產(chǎn)進入了一個新的發(fā)展時期10繼引進了近20,投產(chǎn),。目前,國產(chǎn)1860,但對其疲勞性能尚未進行過系統(tǒng)的試驗研究,有關規(guī)范也未規(guī)定相應的設計疲勞強度值。為此,結合國外同類產(chǎn)品疲勞性能的研究成果,在調(diào)查國內(nèi)有關廠家的鋼絞線生產(chǎn)與質(zhì)量狀況的基礎上,選擇有代表性的試樣,系統(tǒng)地進行了疲勞性能的試驗研究,提出1860級低松弛預應力鋼絞線S-N曲線和疲勞強度特征值。2鋼絞線疲勞破壞機理,;因此,正常情況下其疲勞性能主要取決于接觸表面之間的擦傷疲勞,疲

3、勞強度通常低于鋼絲。大量鋼絞線疲勞破壞試驗研究結果表明,鋼絞線的疲勞強度和疲勞破壞機理不同于高強度鋼絲。鋼絲的疲勞破壞主要是由鋼絲表層缺陷引起,而鋼絞線則主要由各鋼絲間的擦傷疲勞(frettingfatigue)引起。擦傷疲勞最早是在機械工程中發(fā)現(xiàn)的,其破壞是由變化的軸向應力、摩擦應力、側向壓力和滑移等因素共同作用所引起?！安羵笔侵冈谏鲜鲋貜秃奢d作用下材料發(fā)生摩損、腐蝕,促使表面裂縫提前出現(xiàn)。擦傷疲勞破壞機理可用圖1表示。2個物體受到側向力Q的夾緊作用,即使這個側向力很小,在2個粗糙的內(nèi)表面之間也會產(chǎn)生極大的局部接觸壓應力,其值往往大于材料本身的彈性極限,引起局部的塑性變形;在重復荷載作用下

4、接觸面之間出現(xiàn)相對位移0.1300m,金屬表面的氧化膜很快被擦掉,在局部側向壓力作用下,2個粗糙的表面很容易被熔合成一體(也稱冷焊接);每次接觸表圖1擦傷疲勞破壞機理3國外鋼絞線疲勞試驗研究成果在相同試驗條件下,試件的自由長度會影響鋼絞線疲勞試驗結果的離散性。試件越長,越能代表實際結果。圖2為瑞士聯(lián)邦材料試驗室(EMPA)進行的不同試件長度第一根鋼絲破斷時疲勞壽命分布的試驗結果。鋼絞線疲勞加載下限應力為0.51fpu,疲勞應力幅為350MPa;試件長度分為1、2m和10m三種,相應的加載頻率分別為3.5、3.5Hz和2.1Hz。其中短試件的疲勞壽命離散性大;基于以上現(xiàn)象,鋼絞線疲勞性能試驗應盡

5、可能采用較長的試件。EMPA對60根不同長度鋼絞線疲勞斷口檢查證實,鋼絞線疲勞源絕大多數(shù)發(fā)生在邊絲與邊絲接觸表面上。斷口檢查結果見表1。從表1f是國際通用的鋼絞線標準抗拉強度的符號,對pu1860級鋼絞線fpu=1860MPa22鐵道標準設計2000年5月第20卷第5期可看出隨試件長度的降低,疲勞破壞起因于鋼絲表層原始缺陷的比例增大。試驗是在瑞士Amsler500kN疲勞機上進行;考慮到試件長度對鋼絞線疲勞壽命離散性的影響,本次試驗取試件長度為2750mm;兩端采用特制夾具進行錨固,加載頻率4Hz。試件鋼絞線破斷荷載270.1kN,伸長率5.0%,彈性模量2105MPapu之間,本次疲勞試驗所

6、采用的疲勞下限應力定為min=950MPa,選擇=390、360、315、270、225、195MPa六種應力幅進行疲勞加載;每種應力幅計劃有效試驗結果3個,共進行了40個試件的試驗,其中有效試件23個。試驗結果列于表2和圖3。表21860級鋼絞線疲勞試驗圖2不同試件長度鋼絞線疲勞壽命分布表1兩類疲勞破壞斷口的試樣根數(shù)比較試件長度mMPa序號應力上限應力下限9501145950117595012209501265950950應力幅萬次疲勞源位置鋼絲表層原始缺陷2331127141648總計3制造和運輸過程中鋼絞線表面可能有損傷。美國得克薩斯大學Paulson等人,在對不同廠家生產(chǎn)的700余根鋼

7、絞線疲勞試驗結果的統(tǒng)計分析和補充試驗的基礎上,也提出過270級(相當于我國1860級)鋼絞線(ASTMA416)的S-N曲線,其表達式為:logN=13.93-3.5log(1)式中N疲勞壽命,次;疲勞應力幅,MPa。當N=210時,=151MPa(99.7%保證率)。4國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線疲勞性能試驗6從1860級低松弛鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)查情況來看,國產(chǎn)盤條正逐步取代進口盤條,冶金系統(tǒng)也已制定了盤條的國家標準,國產(chǎn)盤條已可滿足生產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線的要求。因此,在征求冶金系統(tǒng)意見后并考慮到盤條國產(chǎn)化的趨勢和試件的代表性,確定本次疲勞試驗試件主要選用新華金屬制品股份有限公

8、司的產(chǎn)品,其盤條為馬鞍山鋼鐵公司產(chǎn)品,生產(chǎn)盤條的鋼坯為寶山鋼鐵公司產(chǎn)品。另外還選用了天津市第一預應力鋼絲有限公司和秦皇島預應力鋼絞線聯(lián)營公司的鋼絞線作對比性試樣。注:表中序號118為江西新華金屬制品公司產(chǎn)品,序號19、20、22為秦皇島鋼絞線聯(lián)營公司產(chǎn)品,序號21、23為天津市第一預應力鋼絲公司產(chǎn)品;斷口部位均在試件中間,序號23未斷;疲勞源位置除序號9、21在邊絲自由表面外,其余均在邊絲與邊絲接觸面。5試驗結果分析(1)1860級低松弛預應力鋼絞線S-N曲線采用雙對數(shù)關系進行疲勞試驗結果分析,對表2中18組數(shù)據(jù)的回歸結果如下:國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線疲勞性能研究馬林23logN=14

9、.07-3.498log(2)(3)絞線而言,開裂截面上預應力筋疲勞應力幅為空氣中的64%。美國各州公路和運輸工作者協(xié)會(AASHTO)1994年制定的美國公路橋梁設計規(guī)范規(guī)定,對管道取99.7%保證率后,則可寫成:LogN=13.84-3.498log根據(jù)以上分析,建議我國1860級低松弛預應力鋼絞線S-N曲線表達式為:logN=13.84-3.5log(4)曲線半徑大于9m,預應力鋼絞線疲勞應力幅限值為125MPa;對管道曲線半徑小于3.6m,預應力鋼絞線pu當N=2106時,=143MPa(2)對表2中3個廠家的22個鋼絞線試件進行統(tǒng)計)。分析,結果如下:logN=14.01-3.475

10、log(5)(6)鑒于目前國內(nèi)尚未開展過這方面的研究,參照國外的研究結果和國外規(guī)范的取值,結合國產(chǎn)1860級低松弛鋼絞線在空氣中的疲勞試驗結果,建議對開裂截面上1860級低松弛鋼絞線疲勞應力幅限值暫取105MPa。7結論與建議)取97.7%保證率后,則可寫成:logN=13.78-3.475log,絲。圖3疲勞試驗結果(2)國產(chǎn)1860級低松弛預應力鋼絞線S-N曲線當N2106時,=142MPa。(6),兩者基本一致,說明取式(4)為我對比式(4)、國1860級低松弛鋼絞線S-N曲線的表達式是合理的。(6)與國外鋼絞線疲勞試驗結果式(1)進將式(4)、表達式建議采用logN=13.84-3.5

11、log,疲勞應力幅特征值=143MPa;對不容許開裂的預應力混凝土結構,疲勞應力容許幅值建議為140MPa。(3)對于容許開裂的部分預應力結構,由于存在鋼絞線與管道之間的擦傷疲勞損傷,鋼絞線疲勞應力幅取值還應降低。鑒于國內(nèi)尚無開裂截面的預應力鋼絞線疲勞試驗資料,根據(jù)國外試驗結果和國外設計規(guī)范取值,建議暫取疲勞應力容許幅值=105MPa。(4)目前我國1860級低松弛鋼絞線生產(chǎn)廠家較多,行比較,從S-N曲線的截距和斜率來看,3條曲線基本一致。(3)鋼絞線疲勞源絕大部分出現(xiàn)在邊絲與邊絲的接觸面上,個別出現(xiàn)在自由表面上。說明國產(chǎn)鋼絞線疲勞破壞特征與國外鋼絞線疲勞試驗結果相一致,證實鋼絞線的疲勞破壞主

12、要是由于鋼絞線邊絲與邊絲之間的擦傷疲勞引起的。6對開裂截面鋼絞線疲勞應力幅限值的建議而國家標準對鋼絞線的疲勞性能要求尚未作出規(guī)定,因而廠家對疲勞性能還沒有引起足夠的重視。根據(jù)試驗結果,國產(chǎn)鋼絞線的疲勞性能與國外相比還存在一定的差距,因此用于鐵路橋梁的鋼絞線應加強對疲勞性能的檢驗。參考文獻1GregorP.Wollmann,DavidL.Yates,JohnE.Breen,etal.FrettingFatigueinPost-TensionedConcertBeams.ACIStrucfuralJournal,1996,March-April2VolkerEssliger,LeoVincent,YoshitoTanaka.Experi2mentalExecutionandResultsofFatigueTestwithPrestress2.MADRIingSteelD:IABSEWORKSHOPELPAULAR,1992本次為空氣中1860級低松弛鋼絞線的疲勞性能試驗。根據(jù)近年來各國的研究結果,對于容許開裂的部分預應力混