甘国荣李居泽：预应力高强钢棒具有锚固回缩小应力松弛率低

甘国荣 李菊泽 广西科技师范大学 柳州奥维姆机械有限公司

摘要: 预应力高强钢杆具有锚固间隙减小、应力松弛率低、应力状态良好等优点。 它们越来越多地应用于大型构件的预制装配领域。 为了深入探讨大直径预应力高强钢棒材料的力学性能，对大直径预应力高强钢棒材料进行了拉伸试验、硬度梯度及金相组织分析、冲击韧性试验、应力松弛试验和应力测试。标称直径为 75 毫米。 腐蚀测试、预应力失锁测试和锚具装配测试。 试验结果表明，PSB830级钢棒的极限承载力为4 882.8 kN，极限抗拉强度为1 105 MPa，平均断裂伸长率为7.5%，平均心部硬度梯度为6.8 HRC； PSB930级钢棒拉伸时极限承载力为5 196.3 kN，极限抗拉强度为1 176 MPa，断裂后平均伸长率为6.35%，芯部表面平均硬度梯度为5.3 HRC； 钢棒金相组织为回火索氏体，平均冲击吸收能大于95J； 实测1000小时应力松弛率为0.8%，估算120年应力松弛率小于9.1%； 最大应力腐蚀试验应力为952.8 MPa，小于其临界断裂应力； 在1 600～1 700 N·m扭矩扳手辅助锁紧下，平均预应力损失率为4.1%，钢杆回缩值小于1 mm。 钢杆锚栓的锚固性能满足各种标准的要求。 大直径预应力高强钢筋的各种性能可以满足桥梁预制装配的需要。

关键词：装配式桥墩； 预应力； 高强度钢棒； 机械性能； 实验研究；

基金资助:广西科技基地及人才项目，项目编号2021AC18032； 广西科技师范大学高层次人才项目，项目编号GXKS2021GKY001；

桥梁预制桥墩拼装技术对于畅通交通条件下的安全高效施工发挥着至关重要的作用。 预应力高强钢杆锚固连接系统作为大型构件预制装配的主要连接方式，具有主动加固能力。 连接方便、传力可靠、施工快捷。 适合城市、山区、港口等各种复杂条件下使用。 已在桥梁建设中得到应用并取得良好效果[1,2,3,4,5,6]。

港珠澳大桥横跨珠江口伶仃洋区，是连接香港、珠海、澳门城市群的大型跨海通道。 该项目距海岸线较远，离岸线长，工程量巨大。 如果采用常规施工方法，施工现场将投入大量人员和船舶设备。 而且海上施工环境恶劣，安全环保压力大。 因此，大桥建设选择了“规模化、工厂化、标准化、装配式”的施工方案，以缩短海上作业时间，提高作业效率，保证工程质量和结构耐久性。 根据港珠澳大桥建设需要，桥墩由陆上预制场分2至3段预制。 运至各工位后，采用海上吊装、干接拼接、Φ75mm预应力高强钢杆锚固系统连接锚固等方式进行施工。 方案[7,8,9,10]。 这是目前世界上使用的最大直径预应力高强度钢棒，设计抗拉强度超过1030兆帕。 但此类大直径预应力高强钢杆锚固连接系统的设计、制造和使用在国内尚无先例。 。 因此，为了进一步开发和探索φ75 mm预应力高强钢杆及支护锚杆的各项力学性能，开展了一系列相关的实验研究，包括预应力钢杆的拉伸试验、硬度梯度和金相组织分析、冲击试验等。韧性试验、应力松弛试验、应力腐蚀试验、预应力锁损试验、锚具装配试验等，以便更好地在工程中推广应用。

1 高强钢棒主要外观参数

根据钢筋滚压成型工艺的特点和设计要求，高强钢筋公称直径为φ75 mm，形状为大螺距滚压梯形全螺纹，如图1所示。外径为82毫米。 具体螺纹参数如表1所示； 钢棒公称截面积为4418mm2，理论截面积为4586mm2，有效截面积系数为0.96，理论重量为36.0kg/m。

2 高强钢棒的拉伸试验

试件长度为1740mm，其中拉伸段长度为1365mm，两端夹紧段长度为375mm。 测试采用专用大吨位静态拉伸测试系统。 钢棒两端用专用夹具预紧，然后进行拉伸试验，直至钢棒断裂。 位移加载曲线如图2所示； 测试结果如表2所示。

图1 钢棒轧制外观下载原图

表1 导出钢棒基本形状参数至EXCEL

毫米

公称通径

基圆直径

螺纹高度

螺纹底宽

沥青

75

75.0

3.5

12.0

24.0

图2 预应力钢杆拉伸荷载-位移曲线原图下载

表2 出口至EXCEL的预应力钢筋拉伸性能测试结果

顺序

数字

标本

序列号

有效载荷/kN

强度/MPa

断裂伸长率/%

屈服

限制

屈服

拉伸

瞿强碧

SW-1

3 867.5

4 861.6

第875章

1 100

0.79

SW-2

3 764.4

4 882.8

第852章

1 105

0.77

SD-1

4 383.9

5 053.9

992

1 143

0.86

6.2

SD-2

4220.3

5 196.3

第955章

1 176

0.81

6.5

(1)预应力高强钢筋无明显的拉伸屈服阶段，颈缩现象不明显。 加载拉伸过程主要分为5个阶段：第一阶段为预紧阶段，加载力为钢筋公称破断力的5%～10%，以消除钢筋之间的咬合滑移或初始变形。钢筋及夹具； 第二阶段为弹性变形阶段。 此时，随着进一步加载，拉伸位移线性增加，直至弹性极限； 第三阶段为屈服变形阶段。 此时，钢杆拉伸到弹性极限后，曲线偏离线性，钢杆进入弹塑性变形阶段； 第四阶段为强化阶段，此时荷载增长率远小于钢筋的拉伸位移，直至加载至钢筋的极限荷载； 第五阶段为断裂阶段，当钢筋加载至极限载荷时，随着拉伸位移继续增大，载荷继续减小，直至钢筋断裂。

（2）Φ75 mm预应力钢筋可分为PSB830 MPa级（屈服强度≥830 MPa、抗拉强度≥1 030 MPa）和PSB930 MPa级（屈服强度≥930 MPa、抗拉强度≥1 080 MPa）两个等级，分别为 SW 和 SD 样本编号。 SW试件最大极限载荷为4 882.8 kN，平均值为4 872.2 kN，抗拉强度特征值为1 103 MPa； 最大屈服载荷为3 867.5 kN，平均屈服载荷为3 815.95 kN，屈服强度特征值为864 MPa。 SD试件最大极限载荷为5 196.3 kN，平均值为5 125.1 kN，抗拉强度特征值为1 160 MPa； 最大屈服载荷为4 383.9 kN，平均屈服载荷为4 302.1 kN，屈服强度特征值为974 MPa。

(3)预应力钢杆断裂伸长率为6.2%～8%，其中SW试件平均断裂伸长率为7.5%，SD试件平均断裂伸长率为6.35%； 钢棒最大屈强比为0.86，其中SW试件平均值为0.78，SD试件平均值为0.835。

(4)预应力钢杆拉伸断口呈轻微杯锥状。 杯部有明显纤维状，锥部光滑。 断裂区域可分为中间区域的纤维区域、最外环的剪切唇区域和两者。 辐射区。 典型的拉伸断裂对比如图3所示。与SW钢棒相比，SD钢棒断裂断口的纤维面积减小，辐射面积增大。 同时，SD钢棒的断裂后收缩率和断裂后伸长率均小于SW钢棒，表明SD钢棒的韧性下降。

图3 预应力钢筋拉伸断裂面对比 下载原图

3 硬度梯度及金相组织分析

预应力钢杆采用42CrMo特种钢，外螺纹采用冷挤压成型，并采用在线感应淬火和回火工艺。 由于加热速度快，棒材很少氧化，加热均匀，所以芯部与表面温差很小。 预应力钢棒经过高温回火后得到，其截面硬度测试结果按照公称直径从表面到中心到表面显示，如图4所示。

图4 钢棒截面硬度分布曲线 下载原图

钢棒横截面各处硬度测量值表明，硬度分布为中间低、两侧高。 SW钢棒的心部硬度最低为26.5 HRC，平均为27.5 HRC； 表面硬度最高35.5 HRC，平均34.3 HRC； 芯部表面硬度梯度最大为7.5 HRC，平均值为6.8 HRC。 SD钢棒的心部硬度最低为28.8 HRC，平均为29.7 HRC； 表面硬度最高，最高为36.0 HRC，平均为35.0 HRC； 芯部表面硬度梯度最大为7.3 HRC，平均为5.3 HRC。 SD钢棒的平均芯部硬度比SW钢棒高2.2HRC，平均芯部表面硬度梯度比SW钢棒小1.5HRC。 钢棒芯部表面硬度梯度的变化如图5所示，由图可见，钢棒芯部表面硬度梯度与钢棒径向距离成正比。 随着芯部表面硬度梯度包络线面积变小，钢棒的均匀性提高。 强度增加。

为了研究高强钢筋的材料组织，采用金相显微镜对PSB930级钢筋原材料截面从表面到内部的组织进行观察。 结果如图6所示； 委托国家标准件产品质量监督检验中心按GB/T 13298对预应力钢棒的表面、1/2半径和中心进行金相组织分析，结果对比见表图 7.

图5 钢棒芯部表面硬度梯度包络线下载原图

测试结果表明，PSB930级钢棒原材料的3个样品的组织从表面向内主要为球状珠光体+片状珠光体+铁素体，组织差异不大； PSB930级钢棒成品的同一位置的三个样品的组织均为回火索氏体，保持马氏体取向。 材料晶粒细小，晶体排列不规则，晶面相互交错。 因此，钢棒具有良好的强度和韧性以及良好的综合力学性能。

图6 PSB930级钢筋原材料金相分析 下载原图

图7 PSB930钢棒金相分析 下载原图

4 冲击韧性试验

为了测试高强度钢棒的抗冲击性能，按照冲击试验标准GB/T 229对PSB830/930级钢棒样品进行V型缺口室温冲击试验，试验结果见表3.

表3 导出至EXCEL的室温冲击吸收能测试结果

钢棒等级

试验温度℃ 试验温度℃

吸收功率KV1/J

平均吸收率

KV2/J

样品1

样品2

样品3

PSB830

23

96

104

90

97

PSB930

23

106

92

88

95

试验结果表明，PSB830钢棒的最大室温冲击吸收能为104 J，平均值为97 J； PSB930钢棒室温冲击吸收功最大为106J，平均为95J，均满足钢棒材料室温冲击吸收功不小于63J的要求。 PSB830钢棒的平均室温冲击吸收功略大于PSB930钢棒，表明PSB830钢棒的冲击韧性较好。

5 应力松弛试验

当不考虑受拉锚固损失、混凝土徐变等承载结构变形时，高强钢筋的长期预应力损失主要受其应力松弛性能影响[11]。 为了测试高强钢棒在0.8 ReL初始试验力下的应力松弛性能，选取了两根长度为6 m、强度等级为PSB830的钢棒。 根据《金属应力松弛试验方法》（GB/T 10120）的要求，同时保持恒温箱试验温度为20℃±2℃时，内端间距离L的应变波动将强钢棒两端螺母面的偏差控制在±0.005mm/m以内，将剩余试验力、试验时间、试验温度和L的应变波动值与总试验时间进行比较分别为120小时和1000小时。 测试结果如图8所示。

图8 钢棒应力松弛试验结果下载原图

根据试验结果，实测高强钢筋120 h应力松弛率为0.37%，1000 h应力松弛率为0.8%，远小于1000 h应力松弛率Vr≤3% h GB/T 20065-2006中规定。 要求。 由于港珠澳大桥有120年超高寿命要求，根据试验数据计算，高强钢筋120年即105.2万小时后应力松弛率不超过9.1%。

6 应力腐蚀试验

预应力钢棒材料在高应力下对应力腐蚀高度敏感，其腐蚀断裂属于突发性脆性破坏[12,13,14]12-14]。 应力腐蚀的发生与敏感材料、作用应力和腐蚀环境三个因素有关[15]15]。 一般可通过调整钢中的微合金元素和热处理工艺来提高其耐应力腐蚀性能[16]16]。 通过材料定制和特殊工艺制造的直径75毫米高强度钢棒，在港珠澳大桥所在的潮湿海洋环境中长期使用。 有必要进一步测试其耐应力腐蚀性能。 试验分两步进行：首先从高强钢筋上取标准样品，按照标准GB/T 15970.6-2007和ISO 7539-6:2003的要求进行恒载荷试验； 其次，采用全尺寸高强钢筋，参照ISO 15630-3和XPA 35-045-2的试验方法和要求进行恒载荷试验。

将标准预裂试件放在恒载荷试验机上加载至钢棒标称强度的80%（试件置于NH4SCN溶液中）。 每个试件的试验时间达到200h后，没有试件破裂。 标准 样品测试合格。

第二步试验采用长度为6 m的全尺寸高强钢棒，PSB830级钢棒和PSB930级钢棒各6根，进行对比试验。 试验恒加载力为高强钢筋0.8Rm。 测试溶剂NH4SCN的温度保持在50℃±2℃，测试应力变化保持不大于±2%。 测试图如图9所示； 测试结果如表4所示。

图9 应力腐蚀试验示意图下载原图

表4 导出至EXCEL的钢棒应力腐蚀试验结果

钢棒

等级

极限拉伸强度

强度/MPa

试验拉力 kN 试验拉力 kN

单组休息时间

所有标本均已销毁

中位时间

样品1

样品2

样品3

样品4

样品5

样品6

PSB830

1 145

4 047

9小时不间断

8小时不间断

8小时不间断

8小时不间断

8小时不间断

8小时不间断

8.2小时

PSB930

1 191

4209

8小时不间断

6.7小时，破损

8小时不间断

8小时不间断

8小时不间断

8小时不间断

7.8

经检测发现，高强钢棒表面因应力腐蚀而萌生出许多微裂纹。 大部分裂纹发生在钢棒螺纹的轧制方向。 其中大多数位于螺纹底部直径附近。 有些裂纹是由拉应力和腐蚀性溶剂的双重作用引起的。 形成拉伸裂纹，腐蚀过程会导致腐蚀裂纹继续向钢棒深处发展。 裂纹处钢棒的应力集中逐渐加剧，达到材料极限应力后发生断裂，如图10所示。设σst为临界断裂应力，Fmax为在一定时间内不引起断裂的最大拉力。规定试验时间ts（本文中ts中值≥5h），Sb为标称截面积，σN为标称抗拉强度，采用临界断裂强度系数（CFSC）评价钢棒的抗应力腐蚀能力，如式（1）所示：

CFSC=σst/σN=FmaxSbσN (1)CFSC=σst/σN=FmaxSbσN (1)

图10 钢棒应力腐蚀分析下载原图

按式（1）计算，PSB830和PSB930钢筋的CFSC分别为0.889和0.882。 CFSC值越大，表明材料对应力腐蚀的敏感性越低，抗应力腐蚀能力越好。 钢棒的强度越高，对应力腐蚀越敏感。 PSB930钢棒实测抗拉强度较PSB830提高4%，最大试验应力达到952.8 MPa，CFSC降低0.8%。

7 预应力锁损试验

高强钢筋螺母锁紧的预紧力与钢筋材质、螺纹规格和螺母结构有关。 匹配螺纹啮合顺序的变化对扭矩系数和螺纹应力分布有重要影响[17,18,19]17-19]。 该试验台用于测试不同扭矩锁紧高强钢杆的预应力损失。 试验台主要由装配台、支撑组件、千斤顶加载组件、称重传感器组件和锚固组件组成。 支撑部件必须具有操作扭矩。 距扳手的空间。 测试使用长度为8 m的钢棒。 根据GB/T 14370的要求，试件组装时，钢杆两端的锚固锁紧长度必须大于5 m。

试验过程如下：试验构件安装完毕后，通过千斤顶加载至钢杆标称极限抗拉强度（3 640.4 kN）的80%，并保持5～10分钟； 然后用扭矩扳手以不同的扭矩对受拉端锚具施力。 当千斤顶加载力缓慢卸载至零后，称重传感器记录钢棒的剩余试验拉力。 测试结果如表5所示。

表5 钢杆预应力损失测试结果导出至EXCEL

试件数量

加载试验力/kN

锁紧长度/米

扭矩/(N·m)

剩余试验力/kN

试验力损失/kN

损失率/%

1号

3 658.2

5 230

1 700

3 529.8

128.4

3.51

2号

3 656.4

5 230

1 600

3 492.5

163.9

4.48

3号

3 659.1

5 230

1 700

3 498.6

160.5

4.39

表5结果表明，当加载力和锁紧长度一致时，钢杆的预应力损失率与扭转力矩有关。 随着扭矩的增加，预应力损失率降低。 取高强钢杆的公称截面积为4 418 mm2，根据弹性力学计算公式可计算出钢杆的锁紧回缩值S=PL/(EA)，且S可以得到1号、2号、3号各试件的值分别为0.76毫米、0.97毫米、0.95毫米。 因此，当控制钢杆的回缩量小于1毫米时，在工程应用中，实际使用的锁紧长度越大，预应力损失率越小。

8 预应力锚杆装配试验

为满足港珠澳大桥预制桥墩拼接时高强钢杆预应力及荷载锁定的技术性能要求，开发了与高强钢杆配套的高性能锚具，主要包括受拉端螺母、防旋转连接器和固定端螺母。 拉紧端螺母为球面正六角螺母。 它通过螺纹与高强度钢杆拧紧，可使用专用扭转工具快速有效地锁定钢杆的拉力。 防转接头由接头和防转螺母组成。 防转螺母采用哈弗型，有利于可靠、快速地锁定两根钢杆的伸出位置。 固定端螺母采用整体式锚栓，钢垫板与螺母一体制造，不仅提高了固定端锚栓安装的可靠性，而且达到了有效提高锚栓耐用度的目的。锚定系统。

按GB/T 14370的要求进行高强钢杆锚具及连接件组件的循环载荷试验和静载荷锚固性能试验。试验载荷上限为3 640 kN，下限为1 820 kN。 钢杆组件加载50次循环后未发现异常。 完成循环荷载试验后，进行静载锚固性能试验。 实测钢杆组件的极限拉力分别为4 630 kN、4 680 kN和4 685 kN，极限总应变分别为2.3%、2.4%和2.5%。 锚固效率系数分别达到0.96、0.97和0.97，各项指标均满足GB/T 14370的要求。

高强钢杆锚具及连接件组件的疲劳性能试验按照ETAG 013和GB/T 14370的要求进行。试验恒定上限载荷为2 972.2 kN，下限载荷为2 618.7 kN，加载应力幅为80 MPa。 经过200万次负载循环测试，高强钢杆组件未出现异常。

9 结论

(1) φ75mm预应力钢筋的加载和拉伸过程主要分为预加载、弹性变形、屈服变形、强化和断裂五个阶段。 PSB830级钢棒的平均极限载荷为4 872.2 kN，抗拉强度特征值为1 103 MPa，平均屈服载荷为3 815.95 kN，屈服强度特征值为864 MPa； PSB930级钢棒的平均极限载荷为5 125.1 kN，抗拉强度特征值为1 160 MPa，平均屈服载荷为4 302.1 kN，屈服强度特征值为974 MPa。 PSB830级钢棒的平均断裂后伸长率为7.5%，PSB930级钢棒的平均断裂后伸长率为6.35%。

(2) Φ75 mm预应力钢棒截面硬度变化范围为26.5~36.0 HRC，其中PSB830级钢棒芯部平均表面硬度梯度为6.8 HRC，平均表面硬度梯度为PSB830级钢棒芯为5.3 HRC。 随着钢棒芯表面硬度梯度包络面积的缩小，其抗拉强度进一步增加。 该钢棒的金相组织为回火索氏体，室温下平均冲击吸收功大于95J。因此，该钢棒材料具有良好的强度和韧性，综合性能良好。

(3) 测得φ75 mm预应力钢杆120 h应力松弛率为0.37%，1000 h应力松弛率为0.8%，远小于规范要求的3%限值； 估计120年内应力松弛率小于9.1%。

(4)应力腐蚀最大试验应力达到952.8 MPa。 PSB830和PSB930钢棒的恒载荷临界断裂强度系数均大于0.88。 PSB830钢棒的耐应力腐蚀性能优于PSB930钢棒。

(5) 在3 640.4 kN拉力下，Φ75 mm高强钢杆在扭矩扳手辅助下的平均预应力锁紧损失率为4.1%，高强钢杆的回缩值较小小于1mm，符合规范要求。

（6）钢杆锚具及连接件组件平均锚固效率系数为96.7%，平均极限总应变为2.4%，静载锚固性能和疲劳性能满足国内外标准要求。

参考

[1] 欧志敬，薛文浩，谢明钦，魏建刚。 装配式混凝土桥墩施工技术综述[J]. 中外公路，2020，40(1)：96-101。

[2] 李颖，吴美忠，王伟琪，薛兴伟，姚辉。 关键词： 体外竖向预应力钢筋, RC梁, 抗剪性能土木工程进展，2021。

[3] 严昌，刘铎，张建东。 装配式桥墩连接结构研究进展及工程应用[C]//江苏省综合交通学会公路分会2019泛长三角公路发展论坛论文集，2019年。

[4] 陈坤玉. 预应力节片装配式桥墩静力性能分析[D]. 广东工业大学，2019。

[5]梁倩倩，朱春阳，孙莉。 预制节段装配式桥墩抗震性能研究综述[C]//沉阳市第十五届科学学术年会论文集:理工农医,2018.

[6] 姚晓飞，徐越，刘士林，牛宏，周江，程超。 预制节段装配式混凝土桥墩力学性能研究进展[J]. 公路，2013，（5）：59-64。

[7] 孟凡超，刘明虎，吴伟胜，张格军，张亮。 港珠澳大桥设计理念与桥梁创新技术[J]. 中国工程科学，2015，17(1)：27-35+41。

[8] 田伟，魏星，方明山，严宇，刘建波。 跨海桥梁预埋基础装配式施工关键技术研究[J]. 公路，2014，59(10)：30-36。

[9] 方明山. 港珠澳大桥非通航桥下部装配式桥墩设计关键技术[J]. 中外公路，2015，35(1)：112-117。

[10]甘国荣，付伟，杨开庄。 大直径高强螺纹钢锚杆系统在桥梁中的应用研究[J]. 特殊结构，2016，33(4)：44-48。

[11] 张传龙，谢发祥，张峰，阮静。 基于实测的锚下有效预应力时变效应模型研究[J]. 武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2021, 45(2):982 -988.

[12] 居龙，冯超，赵金彪，张国栋。 海洋大气环境下42CrMo高强螺栓应力腐蚀开裂风险评估[J]. 腐蚀与防护，2019, 40(9): 644-649。

[13] 惠伟军，韩东，翁玉清，王茂秋，施杰。 Cr-Mo-V高强钢的应力腐蚀开裂行为 [J]. 材料热处理学报，2006，（6）：37-42+139。

[14] 李光富，吴仁，田惊雷，廷泉，褚武阳。 低合金超高强钢晶界性能对应力腐蚀断裂行为的影响[J]. 宇航学报，1996，(3)：59-64。

[15] 吴赛赛，郭金平，石广斌，李俊平，卢才武。 关键词： 电缆螺栓, 应力腐蚀开裂, 实验室研究材料（瑞士巴塞尔），2019，12（13）：

[16] 莫敬忠，扬舟，毛向阳，吴猛，赵秀明。 正火预处理对42CrMoVNb高强螺栓钢抗延迟断裂性能的影响[J]. 上海金属，2020，42(6):5- 8+14。

[17] 杨晓辉，吴川，庞景轩，张波，姜文强。 螺栓拧紧扭矩对其扭矩系数的影响[J]。 中国工程机械杂志，2021，19（3）：189-193。

[18]邓·新疆，刘江，张中韦，锣hao。 扭转关系关系的理论分析和楔形线连接的特征[J]。 中国机械工程学会的交易，2021，57（19）：180-191。

[19] Zhang Wei，Liu Yang，Hou Bowen，Chen Dean，Sun Wei，Han Xiao。 研究螺距误差下的螺纹应力分布及其对组装触发力的影响[J]。 中国机械工程学会的交易，2021，57（17）：132-148。