鋼絞線熱鑄錨節點高溫下抗拉性能試驗研究

樓國彪 ，侯婧 ，戚洪輝 ?，宋戰輝

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092）

熱鑄錨節點是鋼絞線、平行鋼絲束等預應力索體最常用的錨固連接方式之一，在常溫下具有良好的抗拉性能，廣泛應用于預應力鋼結構中索體的錨固.熱鑄錨制作工藝簡單，一般采用熔點較低的鋅銅合金作為填充材料，在索體插入錨杯后灌入填充材料，至冷卻即可.由于鋅銅合金熔點較低（約460 ℃±10 ℃），高溫下容易發生合金高溫軟化甚至熔化，導致錨固節點失效，繼而引起構件失效，甚至結構倒塌.因此，索體錨固節點是預應力鋼結構中抗火極為薄弱的環節.

火災是最頻繁、后果極為嚴重的建筑安全災害之一［1］.眾多學者測定了鋼絞線［2-5］、平行鋼絲束［6-8］和高釩索［9-10］等不同種類索體高溫下的力學性能.杜詠等［2］比較了不同文獻中鋼絞線的高溫力學性能，提出了鋼絞線的力學性能指標隨溫度升高的折減系數.Du 等［6］通過試驗發現高溫下平行鋼絲束的熱膨脹和極限應變比鋼絞線大，但比例極限高溫折減系數比鋼絞線小.ACI 216.1-14［11］和BS EN 1992-1-2［12］等規范和標準中給出了預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線高溫下的抗拉性能指標取值建議.

然而，目前對預應力索體錨固節點在高溫（火災）下的抗拉性能研究較少.Oplatka 等［13］對金屬填充材料錨固節點的高溫抗拉性能進行了試驗，發現高溫下錨固節點會發生“滑脫”并失效，與郭劉潞等［14］研究結果一致.Ridge等［15］開展了銅鋅合金熱鑄錨的高溫抗拉性能試驗研究，發現錨具失效的臨界溫度在210～223 ℃之間，在火災下錨固節點溫度容易達到該臨界溫度引起節點失效，因此需要引起重視.朱美春等［16］和杜詠等［17］通過瞬態試驗測定了不同類型錨固節點的臨界溫度，但沒有考慮荷載比對臨界溫度的影響.張英杰［18］開展了高溫下密閉索和高釩索錨固節點抗拉性能研究，提出了高溫下錨固節點黏結強度預測公式.

目前，尚缺乏荷載比對鋼絞線熱鑄錨節點臨界溫度影響的定量研究.為研究預應力鋼絞線熱鑄錨節點高溫下的抗拉性能，本文進行了18 個試件試驗，得到了熱鑄錨節點在高溫下的破壞模式、破壞溫度以及拉力-位移曲線，給出了高溫下熱鑄錨節點高溫承載力、極限位移、臨界溫度的計算方法，可用于預應力鋼結構抗火性能研究與防火設計.

1 熱鑄錨節點高溫抗拉性能試驗方案

1.1 試件

預應力鋼絞線熱鑄錨節點高溫抗拉性能試驗的試件如圖1 所示，熱鑄錨具采用圓柱體錨杯，填充材料為鋅銅合金.試驗用鋼絞線公稱直徑為15.2 mm，截面面積為139 mm2，名義抗拉強度為1 860 MPa.試件采用的熱鑄錨錨杯的主要尺寸如下：錨杯外徑D1為70 mm、錨杯內徑D2為42 mm、杯口直徑D3為26 mm，錨杯長度L為70 mm.

圖1 預應力鋼絞線熱鑄錨具Fig.1 Hot casting sockets for prestressing twisted wire strands

由于鋅銅合金的熔點約為460 ℃，因此試件的試驗溫度點確定為室溫（20 ℃）、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、440 ℃，每個試驗溫度均有2個試件，共計18個試件.

1.2 試驗裝置與設備

試驗裝置如圖2 所示，由高溫爐、加載設備、力傳感器和受力支架組成.高溫爐為YFFK443/10QK-3GC 非標電阻爐，爐膛尺寸為1.0 m×1.0 m×1.2 m.該高溫爐最高溫度可達1 000 ℃，最大功率為30 kW，可實現不同升溫速率及恒溫時間.加載設備采用YCW100B 型穿心式千斤頂，最大頂推力為100 t，張拉行程為200 mm.力傳感器采用LF-2B-30T100T壓力傳感器，量程為100 t，精度可達0.05%FS.

圖2 試驗裝置Fig.2 Test set-up

1.3 試驗方法

試件錨杯直徑為70 mm，溫度不容易均勻，因此采用穩態試驗方法進行試驗，即先進行升溫，在達到試驗溫度后恒溫一定的時間，待試件溫度不再變化后，再進行加載至破壞，具體如下：

1）安裝熱鑄錨節點試件，通過預加載以消除試件與裝置間的縫隙.預加載速率為25 kN/min，預加載力為鋼絞線理論破斷力的15%，然后卸載至約3 kN.試驗過程中保持3 kN預應力使試件固定.

2）預加載完成后進入升溫階段，對試件進行升溫，升溫速率為15 ℃/min，在達到試驗溫度點后恒溫，確保試件溫度穩定后進行加載.試件溫度是否達到恒溫，以熱電偶實測溫度為準，判定標準為5 min內溫度變化不大于2 ℃.

3）采用分級加載方法加載，在初始階段按25 kN（約為10%鋼絞線常溫理論破斷力）分級施加荷載，每施加一級荷載后，恒載90 s，觀察位移變化；當荷載-位移曲線呈現非線性特征后，按5 kN分級施加荷載，直至試件破壞.

1.4 試驗測量

試驗全過程實時測量試件的拉力、位移和溫度以及爐溫.

1）試件拉力通過壓力傳感器量測并記錄.

2）試件的位移采用位移計在爐外測量，避免了高溫對位移計的影響.位移計測點布置在受力支架的3 個面上，如圖3 所示，試件位移取3 個測點位移值的平均值.

圖3 位移計測點布置Fig.3 Location of displacement meters

3）試件溫度通過在錨具內預埋熱電偶獲取，如圖4 所示，共計2 個K 型熱電偶，熱鑄錨節點溫度取2 個測點結果的平均值.爐溫由試驗爐自身的測溫系統量測.

圖4 熱鑄錨節點內熱電偶布置Fig.4 Location of thermal couples in the hot casting anchorages

2 試驗結果與分析

表1 為預應力鋼絞線熱鑄錨節點耐火性能試驗結果匯總表.表中極限承載力指鋼絞線發生破壞時的拉力，極限位移指鋼絞線發生破壞時的位移.可見，隨著溫度升高，熱鑄錨節點的極限承載力和極限位移均下降，說明高溫使得熱鑄錨節點的受力性能和延性產生了衰減.

表1 試驗結果匯總表Tab.1 Summary of the test results

由表1 可見，同一試驗工況下部分試件的極限承載力有一定的離散性.這是由于：1）熱鑄錨具在加工過程中需要分絲、定位等工藝流程，鋼絞線各鋼絲受力狀態差異較大；2）澆鑄用合金的均勻性也會導致承載力的差異.這些生產過程中的差異會導致鋼絞線鋼絲的受力不均，某根鋼絲將會提前破斷或者與合金滑動，使得鋼絞線的極限承載力產生波動.

同一試驗工況下部分試件的極限位移有一定的離散性，這是由于某根鋼絲提前破斷或與合金滑動而判定失效的試件未能充分拉伸，導致其極限位移出現波動.在實際工程中，采用該種錨具形式的鋼絞線應存在同樣的問題，需引起重視.

2.1 試件溫度

由表1 可知，爐內溫度與設定溫度吻合，熱鑄錨節點試件溫度略低于爐溫，在后文分析溫度對熱鑄錨節點耐火性能的影響時以熱鑄錨節點實測溫度為準.

2.2 破壞模式

圖5 給出了兩種典型的破壞模式.當熱鑄錨節點溫度低于200 ℃時，試件的破壞模式為鋼絞線斷裂，斷裂位置均出現在錨固端處，但具體破壞在試件試驗端或非試驗端無規律，這是由于在錨具端處預應力索受力并非單向受拉狀態，而是接近三向受力狀態.

圖5 熱鑄錨節點破壞模式Fig.5 Failure modes of hot casting anchorages

鋼絞線試件由7 根鋼絲絞合而成，當鋼絞線拉力達到破斷力后，一般某一根鋼絲先斷裂，鋼絞線拉力驟然下降，繼續加載，鋼絞線拉力會繼續升高，繼而第二根鋼絲破斷，直至所有鋼絲破斷.

當熱鑄錨節點溫度超過200 ℃時，試件的破壞模式通常為鋼絞線滑脫，這是由于包裹鋼絞線的鋅銅合金在高溫下發生軟化，預應力索與合金之間的黏結力、摩擦力和咬合力減小，導致鋼絞線在拉力作用下從錨杯中發生滑移.當預應力索明顯滑移后，鋼絞線拉力會緩慢降低，直至鋼絞線完全從錨杯中脫出.

2.3 拉力-位移曲線

恒溫階段對試件進行分級加載，其拉力-位移關系如圖6 所示，每種爐溫下選取一個試件結果，圖中溫度為該試件對應的節點溫度.可見：1）在加載前期，試件變形主要是鋼絞線的拉伸彈性變形，在施加一級荷載后的恒載階段內幾乎不產生位移，鋼絞線未與合金發生滑移；2）在加載后期，無論試件破壞形式為鋼絞線斷裂還是滑脫，均發生了較大的位移變化，在施加一級荷載后的恒載階段產生了明顯位移.并且，加載后期的恒載階段產生的位移量隨著溫度升高而增大.

圖6 高溫下熱鑄錨節點試件的拉力-位移關系Fig.6 Tensile force-displacement relationship of hot casting anchorages at elevated temperatures

當節點溫度不高于150 ℃時，溫度對試件的抗拉極限承載力影響較??；當節點溫度高于150 ℃時，試件的抗拉極限承載力隨溫度升高開始顯著減小.這是由于溫度超過150 ℃時，熱鑄錨節點內鋅銅合金材性隨溫度升高而衰減，導致鋼絞線與錨具間握裹力減小.

當節點溫度不高于300 ℃時，溫度對試件的最大位移影響較小，這是由于試件的位移主要為鋼絞線的拉伸變形；當節點溫度高于300 ℃時，試件的最大位移隨溫度升高而顯著減小，這是由于鋅銅合金軟化，高溫下鋼絞線與合金間握裹力小于該溫度下鋼絞線的抗拉承載力，鋼絞線還未進入頸縮階段，因此拉伸變形小.

2.4 極限抗拉承載力

預應力鋼絞線熱鑄錨節點試件在高溫下的極限抗拉承載力折減系數kF如圖7 所示.當溫度低于150 ℃時，熱鑄錨節點的極限抗拉承載力變化很小，在139 ℃時的極限抗拉承載力與常溫時相差2.2%.

圖7 kF-T試驗值與擬合公式比較Fig.7 Comparison of the kF-T relationship between tests and the fitting formula

當溫度高于150 ℃時，熱鑄錨節點的極限承載力開始下降，熱鑄錨節點溫度達到236 ℃、287 ℃、340 ℃、392 ℃和425 ℃時極限承載力只有常溫時的86.9%、77.3%、39%、35.2%和10.5%.這是由于鋼絞線與錨具的握裹力隨溫度升高而減小，導致熱鑄錨節點失效，進而使得試件失效.

根據試驗結果，本文提出了鋼絞線熱鑄錨節點高溫下極限抗拉承載力折減系數kF擬合公式如下：

式（1）下降段的回歸系數R2=0.912 7，具有較好的擬合度.

根據鋼絞線熱鑄錨節點的常溫下極限抗拉承載力和高溫下極限抗拉承載力折減系數，即可獲得節點的高溫下極限抗拉承載力.

2.5 極限位移

熱鑄錨節點高溫下的極限位移Du如圖8 所示.可見，當溫度低于300 ℃時，試件的極限位移在43 mm 附近波動，在139 ℃時其極限位移比常溫下大72.8%，而在86 ℃和225 ℃時其極限位移分別比常溫下小31.4%和81.4%，這是由于制造試件的工藝流程不穩定導致的離散性.

圖8 Du-T試驗值與擬合公式比較Fig.8 Comparison of the Du-T relationship between tests and the fitting formula

當溫度高于300 ℃時，熱鑄錨節點的極限位移開始下降，熱鑄錨節點溫度達到340 ℃、382 ℃和425 ℃時極限位移分別只有常溫時的59.7%、67.3% 和19.3%.

極限位移包括鋼絞線的拉伸變形、鋼絞線與合金間滑移.溫度較低時，鋅銅合金軟化程度低，鋼絞線與合金間握裹力足夠大，試件的位移主要為鋼絞線的拉伸變形.溫度較高時，鋅銅合金軟化，鋼絞線與合金間握裹力小于該溫度下鋼絞線的抗拉承載力，鋼絞線還未進入頸縮階段，因此拉伸變形小，試件的位移主要為鋼絞線與合金間滑移.鋼絞線與合金間滑移一旦突破臨界點，試件承載力很快喪失，導致鋼絞線高溫下的極限位移比溫度較低時小.

根據試驗結果，本文提出了鋼絞線熱鑄錨節點的極限位移Du擬合公式，如式（2）：

式（2）下降段的回歸系數R2=0.725 1，與試驗值比較發現，擬合結果可以較好地反映熱鑄錨節點極限位移的變化趨勢.

3 臨界溫度與防火設計

從前述試驗研究可知，鋼絞線熱鑄錨節點在340 ℃、425 ℃時的極限抗拉承載力分別只有常溫的39%和10.5%，因此在火災下容易出現破壞.為了保證其安全，可采用防火保護，延緩熱鑄錨節點火災下升溫，使其在設計要求的耐火極限時間內將溫度控制在某一溫度以下，確保其能夠承受外部荷載作用.

從破壞模式角度，當溫度低于200 ℃時，試件破壞模式為鋼絞線斷裂，表明熱鑄錨節點能提供足夠的錨固作用；當溫度高于200 ℃時，試件破壞模式為鋼絞線滑脫，表明熱鑄錨節點將先于鋼絞線失效.

從極限承載力角度，當溫度低于150 ℃時，試件的極限承載力受溫度影響很??；在181 ℃時，試件的極限承載力下降至常溫的83.6%，考慮到最終破壞模式為鋼絞線斷裂，因此極限承載力下降是由于高溫下鋼絞線的抗拉性能下降.當溫度高于200 ℃時，試件的極限承載力下降，是由于高溫下熱鑄錨節點的抗拉性能顯著衰減.

綜合以上，本文提出基于極限承載力確定鋼絞線熱鑄錨節點的臨界溫度.由式（1）可以得到在確定荷載比下所對應的臨界溫度，見表2.

表2 鋼絞線熱鑄錨節點臨界溫度匯總Tab.2 Summary of the critical temperature of the anchorage

當節點溫度超過臨界溫度時，熱鑄錨節點將先于鋼絞線失效，使得鋼絞線失去錨固而破壞.在對鋼絞線進行抗火設計時，可根據鋼絞線的荷載比按表2確定熱鑄錨節點的臨界溫度，進而利用火災下鋼構件升溫計算方法，確定熱鑄錨節點所需要的防火保護層厚度.

4 結論

本文對預應力鋼絞線熱鑄錨節點進行了高溫抗拉性能試驗，獲得了高溫下試件的破壞模式和抗拉承載力，進而給出了高溫下抗拉承載力計算方法和臨界溫度表.

1）溫度低于200 ℃時，破壞模式為鋼絞線斷裂；溫度高于200 ℃時，破壞模式通常為鋼絞線滑脫.在加載前期，試件變形主要是鋼絞線的拉伸變形；在加載后期，溫度相對較低時試件變形主要是鋼絞線的拉伸變形，溫度相對較高時試件變形主要是鋼絞線與合金間滑移.

2）溫度為150～440 ℃時，鋼絞線熱鑄錨節點的極限抗拉承載力隨溫度升高而降低，287 ℃、340 ℃、392 ℃和425 ℃時的極限承載力分別為常溫時的77.3%、39%、35.2%和10.5%.溫度為300～430 ℃時，熱鑄錨節點的極限位移隨溫度升高而降低，340 ℃、382 ℃和425 ℃時的極限位移為常溫的59.7%、67.3%和19.3%.

3）提出了鋼絞線熱鑄錨節點在高溫下極限抗拉承載力折減系數，以及在各荷載比下的臨界溫度，可用于所有鋼絞線熱鑄錨節點的抗火承載力驗算與防火保護層厚度設計.