预应力平行钢丝束高温力学性能

明：平行钢丝束高温下应力-应变全过程具有显著的应力强化阶段和颈缩阶段,2.00%应变下的高

温名义屈服强度适用于平行钢丝束.关键词：平行钢丝束；高温力学性能；应力-应变关系；火灾安全中图分类号:TU511. 3

文献标志码:A

doi：10. 3969/j. issn. 1007-9629. 2020. 01. 017Mechanical Properties of High Tensile Parallel WireCables at Elevated TemperaturesDU Yong1* , XIAO Liping1 , LI Guoqiang2 , WANG Xiancong1

(1.ColegeofCivilEngineering,NanjingTech University,Nanjing211816,China;2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstr\"ct: A charge-coupleddevicecamera(CCDC)system wasusedtocapturethefulrangeofstress-

strainrelationshipofhightensilestrengthparalelwirecablesby7wireswith7 mm diameter with tensile strengthof1670 MPaatdiferentelevatedtemperature.BasedonthehightemperaturetestdatabaseMa

seriesofreductionfactorsonproportionallimitMelasticmodulesMnominalyieldstrengthMrupturestrength andfunctionsofstress-strainrelationshipatelevatedtemperaturewasobtained.Thetestresultsindicate that the stress strengthening stage and necking stage are clarified by the full range of stress-strain relation-

shipofhightensilestrengthparalelwirecablesatelevatedtemperature,andthenominalyieldstrength under 2.00% strain applys to the high tensile strength parallel wire cables.Key words: parallel wire cable; mechanical property at elevated temperature; stress-strain relationship;

firesafety预应力张拉钢结构广泛应用于大跨度结构体 性能指标，可为研究预应力张拉钢结构在火灾场景 中的力学响应提供重要的材料高温性能参数.目前，对于预应力混凝土用钢丝和钢丝束已建

系，如索网结构、张弦梁和悬索桥等，其中的预应力

钢索是其关键部件然而，预应力钢索在火灾中会 受到不同程度的损伤，其火灾安全性受到科研及工

立了较系统的常温力学性能指标Wag等研 究表明，在各温度水平下，平行钢丝束的断裂状态与

程人员越来越多的关注•在预应力张拉索体分类中, 预应力平行钢丝束在现役预应力钢结构中有较广泛 应用⑵，因此，准确测定预应力平行钢丝束高温力学

收稿日期：2018-09-22 ；修订日期：2018-11-21单根钢丝基本一致，但前者的高温力学性能指标比

后者退化更为严重.Xiong等(0)研究表明，稳态试验基金项目：土木工程防灾国家重点实验室幵放基金资助项目(SLDRCE14-05)国家自然科学基金资助项目#1878348) 第一作者：杜 咏(1967—)，女，重庆人，南京工业大学教授，硕士生导师，博士. E-mail: yongdu_mail@ njtech. edu. cn第1期杜 咏，等：预应力平行钢丝束高温力学性能115方法适用于测量高强钢的高温力学性能指标•周

（11）

明，只有当钢索 遇 600 i I，热蠕变效应才能显著 ，而此时其极限强度不足

的10%.钢丝束

几何形状不规则，若采用接触式高温应变测试方法& 夹持端 程中会不生相对滑移，导致试验误差；且

量程的限制，只能测量材料极限强度

的应力-应变曲线段・Chu等（12） 非接触式应变视

量（CCDC）系统的应用原理；Lyons等（1S）的 材试验表明了 CCDC技术的

准确性；Du开展了非接触

试技术与传统接触

试的 试验•上 均表明CCDC系统不仅精度

，且适用 试

状复杂的试件.鉴于此，本文采用CCDC系统，基于稳态试验

方法& 钢丝束试

目标温度且温度定后，对其 向

裂&钢丝束

的应力-应变全过程•1试验1.1装置CCDC系统如图1所示.由图1可见，加载设备

为Instror1'S4液压伺服万能材性试验机，采用其

配套的SF-16管状 试件加温，炉膛净尺寸为S0. 0 cm X 10. 5 cm（高X直径），最高温度可至

1 250 i，高温炉内配置上中下'片加热 ，以保

证炉内温度均匀 •Data acquisition systemTest

specimen、

Charge-coupled Furnace 、device camera匸二卡Mar®' Data analysis

locationsystem --- 卜口口 Qg]口 J尹] tComputerServo-hydraulic testing machine图1非接触式应变视频测量系统

Fig. 1 CCDC system1.2试件图2为抗拉强度1 670 MPa的7根X 7 mm高 温单向

钢丝束试件• 钢丝束试件测试区均匀 黑白相间的 （见图'）•通过CCD 机记录试件变形过程中材料表面的散斑

图变化情况，将其以灰度矩阵的机中，测试系统分析 实时输出试件标距段（本 试验选取标距不大于1. 5 cm）位移及应变随温度

的变化历程•Connectingbolt Anchor head爼 180

600 180 里2

向

钢丝束试件尺Fig. 2 Size of parallel wire cable specimen at elevatedtemperature（size： mm）3平行钢丝束 标记Fig.3 Hightemperaturepaintmarkersonacablesurface1.3试验过程试 ，用双头螺纹连接螺栓将试件上锚杯端与试验机连接& 试

锚杯端为松弛状态，以消除热膨胀对试件的

；当试 度目标温度并完

&

向拉试.稳态试验中，将炉内温度从室温（20 i）升至

100、200、'00、'50、400、450、500、550、600、700、

800 i，升温速率为10 i/minM5］，并在各温度水平

下恒温20〜S0min,以保证钢索截面温度分布均匀.

以0. 05 mm/s的拉伸速率对试件进行拉伸直至破

坏，每1 s收集5个数据，每个目标温度 重复测

试'个试件试验，试 取其平均值.1.4 4为各温度水平下平行钢丝束试件断口形

貌.由图4可见：室温（20 i ）下，试件断口位置在锚 杯口附近，而其余温度水平下的试

置均在热区；在20〜200 i时，试

貌呈杯状，表破坏&

色呈黑色，钢丝

具

有金属光泽；随着温度的

，在'00 i时，试 f貌

变化,部分钢丝沿着45。方向断裂，部分钢丝

杯状， 试

破坏 ，变 色呈现黑黄色，钢丝 原先的金属 开始； 350 i ， 大 数试 貌呈 ，破坏， 色 色， 钢丝；在400〜800 i时，随着温度的

，试件中

116建筑材料学报第23卷的钢丝颈缩现象越来越明显，试件断口形貌锥状化 加剧，断口截面颜色变为黑灰色，钢丝表面逐步变为

清脆声音,当目标温度高于400 &时,试件破断时仅

发出微弱的“砰”声，在600〜800 &时，试件断裂声 尤为微弱•土黄色；当目标温度低于300 &时，试件破断时发出

(d) 300 V

图4各温度水平下平行钢丝束试件的断口形貌Fig. 4 Fracture morphologies of parallel wire cable specimens at different temperatures2试验结果分析图5为高温下平行钢丝束试件的应力-应变％-

fpt , #，两者最大相差仅7. 8% ,故本文将f2,。％, #作为 平行钢丝束试件的高温 屈服强度）2.1名义屈服强度£）曲线指标示意图•由图5可见，在试件的升£曲线

上，与极限应变弘，相对应的极限强度为ft#，与比 例极限应变£pp，相对应的比例极限为fpp#，与屈服

应变£py，相对应的屈服强度为f?#\"pu#为试件断裂 应变#p#为试件的弹性模量•其中#表示温度•表1为各温度水平下平行钢丝束试件 屈服 强度、极限应变和断裂应变试• 20%-offset，#、\"。.50%, 0、f1.00%, 0、f1.20%, 0、f1.25%, 0、f1.50%, #

和 f#.00%,&分别为应变水平 0. 20%、0. 50%、1. 00%、

1. 20% ,1. 25%、1. 50%和2. 00%对应的名义屈服

图5高温下平行钢丝束试件的应力-应变曲线指标示意图 Fig. 5 Mathematical model for stress-strain relationshipsof parallel wire cable specimens at elevated

强度.由表1可见,与各应变水平相比,其2. 00%应 变水平下的名义屈服强度f2.0。％,更接近极限强度。temperature第1期杜咏，等：预应力平行钢丝束高温力学性能117表1各温度水平下平行钢丝束试件名义屈服强度、极限应变和断裂应变试验结果Table1 BasicmechanicalpropertiesforparalelwirecablespecimensatdiferenttemperaturesTemperature/ f 0. ：0 % offset，! /CMPa2\"1\"\"2\"\"3\"\"fa. 50%，t?/f1.00%，?/f1. ：0%，?/f1 ：5%，!f1 50%，?/f：. 00%，!f pt，?/'pt，!'pu, !MPaPaMPaMPaMPaMPa1635 0MPa1721 7%%1543.51485.71304.31055.7844.8722.9545.3365.61026.71028.3908.3802.81549.01493.71342.21576 41515 51580 51520 91426 71193 0976 8839 01598 21552 11473 11221 64 4053 0265 7094 4054 9055 8075 9751608 41542 01266 91031 51680 11662 01334 91056 1898 91413 11185 41128.5932.8801.0591.6423.9225.44 4434 3653 9943 4363 3463 3603 3114 5314 02935\"4\"\"678.7601.8460.4314.0970 5834 21003 5860 27 29713 500881 0642 8468 6257 545\"5\"\"615 7441 2236 8628 7444 8238 7628 7457 0248 2652 3475 0265 5157 450 840 715 96018 25055\"6\"\"7\"\"8\"\"179.7114.2173.4114.241.732.720 60033 87330 50046 311138.9143 446 736 3144 646 936 5147 647 636 7151 140.933.545.848 238 335.52.2弹性模量 所对应的比例极限应变为'pp,,则比例极限fpp.e =根据应力-应变关系曲线初始线性段斜率确定 @p,U'pp,.表2列岀了各温度水平下平行钢丝束试平行钢丝束试件的弹性模量@p,;曲线线性段终点 件的弹性模量、比例极限及比例极限应变.表2各温度水平下平行钢丝東试件弹性模量、比例极限及比例极限应变Table 2 Elastic modulus, proportion limit and proportional limit strain of parallel wire cable specimens at different temperatures6/CEp，/GPa20200 70 645100192 40596200184 1300167 2400140 750080 20 240600386018270014 880088!/%fpp，?/MPapp，'0 5801067 80 340568 50 333468 50 20930 902001294 51146 7192 57031762.3极限应变和断裂应变势,而文献［8］建议值呈上升趋势;试件断裂应变试验

图6为平行钢丝束试件极限应变（%,）、断裂应 值在300〜400 C时接近文献［8］建议值;高于400 C，试件断裂应变试

呈显著上升趋势；文献［8］高变#叫!）试验值与文献［8］中建议值的比较.40钢丝束的极限应变，幅度达52.7%, 了□ £p^(Iest data)米 £阿/Test data)

米400 C后平行钢丝束的断裂应变,幅度达256.0%.30进320—%(Ref.[8])3高温折减系数来…％(Ref.[8])

**来3.1力学性能指标高温折减系数定义弹性模量高温折减系数kE,e为高温下弹性 模量Ep!与常温下弹性模量Ep的比值，即k@!=

@p，/@p；极限强度高温折减系数kt为高温下极限

0

200

eix.400 600 800强度fpt与常温下极限强度ft的比值，即kp=

，图6

钢丝束试件极限应变和断裂应变试验值与文献［8］中建议值的比较reference［8］ of parallel wire cable specimensfpt! fpt文献［8］推荐的预应力混凝土用钢索的［名

义屈服强度折减系数kpy，为各温度下2.00%应变屈 服强度

［度ft的比值，即.00% !Fig.6 Comparisonofstrainbetweentestdataand

由图6可见:在20〜200 C时，平行钢丝束试件极 kpy，= f：.00%，/0. 9fpt，,

文献［16］建议的普通结构钢

大限应变试验值与文献［8］建议值相差不大且 较小;高于200 C后，试件极限应变试

度变于0. 9九t!（见表1）,使得ky大于1，因此本文采用

屈服强度折减

呈 趋

118建筑材料学报第23卷系数计算公式一％高温下名义屈服强度Rpy&与常温 下名义屈服强度Rpy的比值，即Spy& l fpy,+fpy.文献［8］中预应力混凝土用钢索的

极限高温折减系数计算式Spp,Q = Rpp&/0. 9Rpt,但本文的 Spp&ifpp&Rpy值与文献［8］建议值更为接近，故本

文按Spp&iRpp,/Rpy来确定平行钢丝束比例极限高

减系数.3.2

高温折减系数图7

钢丝束试

屈服强度高温折减系数试 与已有 (917皿的较•由图7

」：(1)已有

得出的预应力钢索 屈服强度 l折减系数离

较大;本文试 与文献［8-9,17-18］给的预应力钢索 屈服强度 减系数较为接近，而与Xiong等［10］得出的 钢

屈服强度高温折减系数相差较大.(2)与汪 ［17］的钢绞线

屈服强度

减系数相比& 400 i时，由于平行钢丝束无缠绕效应影响，本文试验值略低于钢绞线 试 &

400 i时,两者较为接近•(')与Wang等的1 670 MPa级平行钢丝束相比，本文试验值与

其较为接近& 相差最大的450 i时，两者也仅相差7. 5%. (4)张昊宇等［18］选取同规格预应力钢绞

线的中丝为试 ，与本文试验数据相近•由于生工艺的

，本文

钢丝束试件的

屈服强度减系数比热

钢S460M™和S69OQr10］89%与 6'%.图7

钢丝束试 屈服强度高温折减系数试验值与已有 的比较Fig.7 Comparisonofreductionfactorsofyieldstrength

betweentestdataandpreviousstudies3.3弹性模量高温折减系数图8 钢丝束试 量高温折减系数试验值与已有研究「8「10,7「18］的比较•由图8可见：(1)各已有研究的预应力钢索弹性模量高温折减

系数较为离散• (2)本文试验数据与文献［9,18］比 较接近；低于600 i时，随着温度的 ，本文试

验数据与文献［8］建议值差值逐渐增加；到600 i，因为钢丝的

回复作用，使钢丝中的索氏体组织开 生剧烈变化，平行钢丝束 量逐渐

，本文试 文献［8］建议

5S. 1%.(')与钢绞线试验数据［17］相 & 钢丝束无钢丝缠绕效应，在20〜400 i时，本文试验值均低于

应力钢 线 的

量

减 系 数， 度超过400 i后，随着钢绞线的缠绕松弛，两者差异

逐渐减小至'%• (4)当温度高于400 i时，本文

试验值远小于高强钢S460M［10］和S69OQT［10］的弹

量

减系数•1.00.80.60.40.20

200

400 600 8000/T图8 钢丝束试

量高温折减系数试验值与已有 的 较Fig 8 Comparisonofreductionfactorsofelasticity modulusbetweentestdataandpreviousstudies3.4比例极限高温折减系数图9 钢丝束试

极限高温折减系数与已有 「8,0］的较.由图9

：(1)在20°。时，本文试

文献［8］建议的 极限 减系数低21. 6% ；在100〜500 i时，则最大高54. 0%.

(2)本文试

钢S69OQT［10］的比例极限1.0-o■九必/Test data)

o Ref. [8]0.8■△☆△△△ S690QTU0]B☆☆九/O./t(Test data)0.6■O0.4-△0.2-02000!°C400 600 800

图9

钢丝束试件比例极限高温折减系数与已有的较Fig 9 Comparisonofreductionfactorsofproportionlimitbetweentestdataandpreviousstudies第1期杜 咏，等：预应力平行钢丝束高温力学性能119高温折减系数，在'00 i时，差距高达84. 5%，这是 由于比例极限由fpp, i@p, Xspp,得到，平行钢丝束

比例极限应变、屈服强度、弹性模量、比例极限以及 极限 度呈 趋 +表3各温度水平下平行钢丝束试件力学性能指标折减系数汇总量

限应变相近所致.3.5极限强度高温折减系数10

钢快，但两者 极Table 3 Summary of mechanical property index reduction factors forparallel wire cable specimens at different temperatures钢丝束试件极限强度高温折减系!i20Spy，=fpy，/ fpy

Spp，=fpp，! fpykE,e =Ep，/ EpSpt，=ft! / fpt数试验值与已有研究（，7）的比较•由图10可见：在

20〜800 i时，已有研究给出的平行钢丝束极限强

1 0000. 9840. 94'0. 7750. 6S10. 5S90. S9S0. 2870. 1580. 0920. 0S00. 02'0. 7920. 7010. 65'0. '480. '100. 2870. 2150. 1180 0561. 0001 0000. 9760. 9650. 7750. 61'0. 5220. '790. 2760. 1540. 0910. 0S00 024度高温折减系数与本文试 相差不大，与钢绞线100200S00S500. 9590. 9170. 8SS0. 7670 701500 i时的试验数据（7）相 最大仅18%.4004500. 5160 4005005506007008000. 29'0. 1920 0740 0440. 04'0. 0190. 0113.6高温折减系数函数模型基于试验数据，拟合出平行钢丝束试件各项力学性能指标的高温折减系数函数模型•图10

钢丝束试件极限强度高温折减系数试验值与已有 的比较betweentestdataandpreviousstudies回归系数R2二=0. 997 '下平行钢丝束试件的名屈服 度

Fig 10 Comparisonofreductionfactorsofultimatestrength

减系数 达

：表'为各温度水平下平行钢丝束试件力学性能 指标折减系数汇总•由表'

:丿 上，低于'00 i时，平行钢丝束试件的弹性模量衰减

fpy，/ fpy=—2.629 5 10-14!+ 5. '56 5 10-11!―'.25 5 10-8伊 + 4. 689 510-6!—8. 457 5 10-4! +1 0181)［略回归系数R2二=0. 997 0下平行钢丝束试件的比极限

不计， 极限衰减明显；超过S00 i时，试件各 项力学性能衰减显著，特

减系数 达

：度超过600 i时，由 构从铁素

组织的滑

换

相变，导致钢材的微观结fpp，/ fpy= —1.972 5 10-15!—1. 804 5 10-12!+9N785 5 10-9伊--6. 917 5 10-6!•所以，平行钢丝+4N274 5 10-5! +0. 780量

(2 )束试件应力-应变曲线 度 趋于平缓；极限应+ 2. 910 5 10711 护一2.

回归系数R2二=0. 997 0下平行钢丝束试件的弹变、断裂应变随着温度的 呈不同的增长趋势，而减系数 达874 5 10-8伊 + 7. 644 5 10-6!—1. 120 5 10-'! J 1 020, 20 i & ! & 400 i'.8S7 5 10-11! — 9. 297 5 10-8伊 + 8. 719 5 10-5!—'.898 5 10-2! + 7. '06, 400 i \" ! & 800 i⑶回归系数R2 =0. 997 1下平行钢丝束试件的极 高温应力-应变全过程关系函数：限强度 减系数表达

：Ep'，& = *0 &'&'pp，fpt，/fpt =- 4. 279 5 10714伊 + 8. 508 5 10711 伊-5. 156 5 10-8伊 + 7. 641 5 10-6!-'.745 5 10-4! + 0. 999

fpt，— (1 e-'\"2 + /'］，W' + W2' + W，0，'pp，V '& 'pt，'pt，V''pu，'pu，(4)4高温应力-应变函数模型据本文试 数据， ?

（5 ）

钢丝束试 的式中：/1、/2、/'Wi 和Ws为拟合系数（见表4和 表5）.120建筑材料学报表4拟合系数#1、#2、#3第：3卷Table 4 Regression factors a1 , a2, a3Regression factor/120 C&VS00 C'&''pp6\"^&^py,6300 C&&800 C6—1 4U10—4伊 +0. 1伊一42. 9+6 341. 8—3. 9 X 10—82 + 2. 1 X 10—5+ 1. 7X10—3a6664. 4X10—7伊一1. SX10—+ 0. 2+100. 6662—1 2X10—46 +1. 3X10 —22. 6X10 —6!—2. 0X10 —O' +0. 46—27. 5—1 2 X 10 — 9 3 +7 3X10 —78. 9X10?4伊？0. 6伊 + 99. 3—800. 4667X10?32 —10. 6+S 984. 4—2. 4X 10—103 +3 8X10—7666—1. 9X10—4 +S. 4X10—2'1. 4X10—42 —0 2+56. 266626表5拟合系数$1、$2、$3Table 5 Regression factors of b1 , b2, b3RegressionfactorW

200 C&7V500 C500 C&7&800 CW2 Ws

66—4. 6 X 10—464 +0. 4伊一112. 802 + 11 460. 46—2. 2X 1050. 04902 —25. 86+. 215.85. 1 X 10 — 3 4 — 4 . 6 + 1 27S. 82 —1. 3X 105 +2. 5 X 10666—0. 2伊 + 226. 9—79 860. 1

—3. +2*36.57. 1 X 10 — 32 —10 . 6+S 951. 36666图11为平行钢丝束试件高温应力-应变曲线对 500〜800 C时显著高于文献建议值.比•由图11 ，平行钢丝束试件的 应力-应变应力-应变关系模型阶段，并且在(：)本文建议的 钢丝束 力学性能指标函数模型（式（5））与试验结果吻合较好.文献［8］建议的钢索

折减系数与高强钢试验数据相差较大；与文献中钢 索的 量折减系数及

极限折减系数相差较中，没有考虑平行钢丝束的应力 度•文献规定

大； 度 400 C ， 与 钢 线 相 较 大；

100〜200 C时，与已有 钢丝束试验数据略有差

， 与 丝试 数据相近.100〜200 C时，低估了 7. 1%的平行钢丝束极限强

应变到极限应变之间的屈服强度取定值，极限应变 裂应变为斜线 ，这 i(S)本文提出的平行钢丝束的各项高温力学性

关系与试验得到的全过程应力-应变关系相差 能指标，可服 大跨度预应力张拉钢结构在火灾 环 的结构响应分析.参考文献：[1 ] SAITOH M, OKADA A. The role of string in hybrid string

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