浅谈桥梁预应力材料及技术现状

摘 要：本文对于目前国内外通用的金属预应力材料的加工工艺、性能特点进行了描述，对于相应的锚具的功能特点及实际的张拉使用中张拉损失等问题进行了分析，根据其各自的特点应选用适合的预应力材料。

关键词：预应力材料；强度；延伸率；张拉；张拉损失

1 前言

预应力结构是在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用的性能的结构。在工程中，采用预应力结构可以提高构件的刚度，推迟裂缝出现的时间，增加构件的耐久性 。早期的酒桶、手工锯就是基于这一原理。

1928年法国率先将高强度用于于预应力混凝土，并在20世纪40年代后得到广泛应用与发展。我国在20世纪50年代开始试验研究预应力混凝土结构。最初试用于预应力混凝土轨枕，之后于1956年在陇海线成功建成跨新沂河的预应力混凝土铁路梁桥； 1957年京周公路上也修建了一座跨径为20m的装配式后张预应力混凝土简支梁桥。此后预应力混凝土结构在我国桥梁建设中的应用发展迅速，应用范围也扩大到高层建筑、海洋工程压力容器、基础工程等新领域，并随着高性能预应力材料的采用，施工工艺的不断创新，计算理论的不断完善，设计思想的不断发展，预应力技术在我国得到了广泛的应用。

2 预应力材料

预加应力材料是指对混凝土施加预应力的各种材料，包括高强钢筋、钢丝、钢绞线、复合材料预应力筋等，其应具有高强度、良好塑性、低松弛、等特点。复合材料预应力筋如：玻璃纤维增强聚合物（GFRP）、芳纶纤维增强聚合物（AFRP）及碳素纤维增强聚合物（CFRP）预应力筋。它们具有质轻、高强、耐腐蚀、耐疲劳，非磁性等优点，目前主要用于桥梁加固领域。金属预应力筋主要有：精轧螺纹钢筋、高强钢丝、钢绞线，高强预应力钢棒等。高强钢丝在现有的施工中使用范围在逐渐缩小，在这里就不进行详细介绍。

2.1 精轧螺纹钢筋

精轧螺纹钢筋是整根钢筋上轧有外螺纹的大直径、高强度、一定尺寸精度的直条钢筋，通过特制的螺母进行锚固。精轧螺纹钢筋的原材料为中碳低合金钢，通过热轧后控制冷却速度来提高钢筋的强度。其得到的金相组织通常为铁素体+珠光体，一般的规格为PSB785。如进一步的提高强度加快冷速得到的组织为混合贝氏体+索氏体+珠光体+铁素体通常为PSB930等。金相组织的构成决定了PSB785具有较高的韧性较低的强度，PSB930具有较高的强度较低的韧性。这也就是为什么国标中PSB785延伸率规定为7%以上，而PSB930为6%以上的原因。由于采用的工艺是控制冷却工艺其受气温变化，设备影响的因素较多，因此市面PSB830以上的材料很少。由于其采用的是热轧后控制冷却的工艺，减少了能源消耗因此从制造成本上有所降低。如能采用连铸连轧控制冷却工艺可进一步降低成本。

2.2 钢绞线

钢绞线是在当今预应力工程中使用最为广泛的一种材料。目前，其强度在金属预应力材料中最高。钢绞线原材料为高碳钢或高碳合金钢，通过斯泰尔摩控冷技术（取代铅浴等温处理）得到强度在1000MPa左右的高强钢丝，再通过多道冷拔工艺使得钢丝尺寸稳定，强度进一步增加，然后经过绞合工艺、稳定化工艺得到钢绞线。通过斯泰尔摩控冷技术处理得到的金相组织为片间距极小索氏体组织，然后利用薄渗碳体可以弯曲和产生塑性变形的特性进行深度冷拔以增加铁素体片内的位错密度以及细化由位错缠结所组成的包块，而使强度得到显著提高，强度可达1860级以上，通过回火稳定化处理进一步消除了内部的组织应力。由于得到的是索氏体组织，其强度的提高伴随了塑性的降低，因此一般钢绞线的延伸率较低，一般为4-5%左右。

2.3 预应力钢棒

预应力钢棒是由日本高周波热炼株式会社于60年代研制成功的，用于水泥管桩、电杆、高速铁路轨枕等。目前我国用于铁路轨道板及铁路桥梁横向预应力，公路桥梁竖向预应力加固工程。预应力钢棒原材料为中低碳合金钢，通过冷拔调质工艺得到。其金相组织为回火索氏体。回火索氏体与索氏体相比较，其析出的碳化物呈球状弥散地分布于基体中，故回火索氏体比索氏体具有更好的综合机械性能。因此其延伸率标准要求7%以上，一般可以做到9%以上。钢棒由于采用的调质工艺强度比精轧螺纹钢筋高比钢绞线低，延伸率优于前两者。钢棒的强度通常可以做到1420级甚至到1570级，并在1570级时延伸率仍可达到7%以上。延伸率的提高使其比钢绞线及精轧螺纹钢筋有更强的抗震吸能性。缺点在较长的预应力束时，锚固螺纹加工不方便，运输不方便。

3 预应力锚具及对张拉的影响

3.1 精轧螺纹钢锚具

由于精轧螺纹钢采用热轧成型，其尺寸精度较冷加工工艺低。锚固螺母一般采用中碳钢，经热锻或冷镦成型外六方，内部螺纹采用旋风铣工艺加工，最后经过调质处理，表面处理加工而成。虽然螺母可以达到一定的加工精度，但由于螺纹钢的热轧精度不高，造成在张拉时有1.5mm左右的回缩量。在超短距离施工时遭成一定的应力损失。例如：张拉长度在2m时，张拉控制应力σcon为667MPa时，根据公式及F=σconA可推导张拉损失率公式，已知精轧螺纹钢的弹性模量E=200GPa，在2m的精轧螺纹钢回缩2mm时回缩导致的张拉损失率为22%左右。因此对于精轧螺纹钢在超短距离时应力损失过大。精轧螺纹钢一般为标准的6米，9米，12米，工程量大时可进行定尺轧制，轧制长度以0.5米级计算，对于常用于现浇变截面梁的竖向预应力来说，无形中造成了钢材的浪费。由于精轧螺纹钢在张拉前需预留张拉的280mm左右的工作长度，进一步加大了钢材的浪费。

3.2 钢绞线夹片式锚具（张拉端）

钢绞线夹片式锚具是目前预应力施工时用量最大的锚具，夹片一般采用20CrMnTi加工，采用碳氮共渗使夹片达到外硬内韧。锚板采用中碳或中碳合金钢经调质热处理工艺加工而成。由于结构的问题钢绞线在张拉时单端一般有5mm以上的回缩量，根据3.1中的公式，钢绞线弹性模量E取195GPa。σcon=0.75fpk=1395MPa， fpk取1860 MPa，当张拉长度为2m时张拉损失率为35%，当张拉长度为5m时张拉损失率为14%，当长度为10m时采用单端张拉张拉损失率为7%。近年来，为解决钢绞线夹片锚具回缩量大的问题，发展出来一种低回缩锚具，其做法为在锚板上加工螺纹，用外加螺母进行锁紧。这种方式可以解决回缩量的问题，但缺点是锚具制造费用昂贵，施工需进行二次张拉。钢绞线通常的供货状态为整盘供货，施工时需要多少截取多少避免了定吃时材料的浪费，但其张拉时也需要预留张拉工作长度。在长距离的张拉时由于其强度高，施工浪费少，是目前不可替代的产品。

3.3 预应力钢棒螺纹锚具

预应力钢棒采用冷拔后调质工艺，冷拔精度可以控制在0.06mm以内，冷拔定尺切断后进行滚丝工艺，滚丝精度控制在0.1mm以内，滚丝后进一步提高了钢棒滚丝部位的强度，锚固螺母采用中碳或中碳合金钢调质加工而成。由于钢棒及配套锚具均采用冷加工成型，加工精度高，因此其回缩量一般在0.1mm以内。根据3.1中的公式钢棒的弹性模量E取E取200GPa。σcon=0.75fpk=1065MPa， fpk取1420 MPa，当张拉长度为2m时张拉损失率为0.9%，当张拉长度为5m时张拉损失率为0.4%。预应力钢棒强度高，单从强度考率预应力钢棒替代精轧螺纹钢可节约37%以上的钢材，加上预应力钢棒可定尺到毫米级精度，张拉时采用张拉杆连接施工，不需要预留张拉工作长度，张拉后不需要割筋。采用预应力钢棒替代精轧螺纹钢可节约45%左右的钢材用量。预应力钢棒锚具的螺距小，螺纹升角低，摩擦角大，其锚固防松效果更强。缺点为其受到螺纹长度短、运输不方便的限制不适合长距离的张拉。

4 总结

预应力钢棒产品具有高强度、低松弛，高延伸率等特点。钢棒螺纹及配套锚具加工精度高、施工回缩量小、螺纹采用滚压成型疲劳特性强。在中、短距离的预应力施工中能够替代精轧螺纹钢筋大大节约了钢材用量。

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