高温下1770级_P5钢丝蠕变及应力松弛性能试验研究
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ｎｏｒ ｍａｌ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ
由 该 曲 线 可 知 ， 其 常 温 下 极 限 强 度 ｆｐｕ＝１８０３ ． ５ Ｎ／ ｍｍ２； 极限强度点应变 εｂ＝５１３２６ με； 弹性模量 Ｅｓ＝ ２．０４ ×１０５ Ｎ／ｍｍ２； 比 例 极 限 σｐ＝１４１２．１ Ｎ／ｍｍ２； 条 件 屈 服 强 度 ｆ０．２＝１６３４．５ Ｎ／ｍｍ２； 条 件 屈 服 点 应 变 ε０．２＝１００００ με。
级低松弛预应力钢 丝为对象开展了研究工作。完成了 ２５ 个钢丝试件的高温蠕变试验， 得 到 钢 丝 高 温 蠕 变 应 变 与
时间的关系曲线， 建立起钢丝高温蠕变应变计算公式， 揭示出蠕变应变随温度升高、应力水平增长及蠕变时间延
长而增大的规律； 提出考虑高温蠕变影响的钢丝持久极限强度计算公式， 揭示了高温下钢丝持久强度与高温下极
目前， 绝大部分结构的预应力都是通过合理布置 并张拉高强钢丝、钢绞线来施加的。当预应力结构遭 遇火灾时， 其钢丝、钢绞线将处于高温工作状态， 产 生显著的应力松弛 （ 或蠕变） 和温度膨胀， 这将使结 构中的预应力明显降低， 导致结构抗力退化、变形显 著增加。因此， 高温下钢丝、钢绞线的应力松弛性能 （ 或蠕变性能） 和温度膨胀性能是预应力结构抗火性
的规律， 初步提出钢丝高温膨胀应变计算公式。
关键词：预应力钢丝； 高温； 蠕变； 应力松弛； 膨胀
中图分类号： ＴＵ５１１．３＋２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１３１Ｘ （ ２００６） ０８－０００７－０７
Ａｎ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒ ｅｅｐ ａｎｄ ｓｔｒ ｅｓｓ ｒ ｅｌａｘａｔｉｏｎ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ １７７０－!Ｐ５ ｐｒ ｅｓｔｒ ｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒ ｅｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅｓ
现象很微弱， 蠕变值甚至小于试验机的误差值， 故此
情况下的试验意义不大。故选取的试件如图 ４ 所示，
ｆｕｒ ｎａｃｅ 以满足试验要求。试验时， 炉膛上、下孔洞用矿渣棉 填充， 以起到保温效果。
２ 钢丝试件原始状况
通过对 ２ 根直径为 ５．０２ ｍｍ 的 １７７０ 级 φＰ５ 低松 弛预应力钢丝试件的常温下拉伸试验， 得到了如图 ３ 所示应力－ 应变关系曲线。
采用哈尔滨汽轮机厂的 ＭＴＳ８１０ 材料性能试验机 和与试验机配套的 ＳＦ６２ 高温材性试验炉。
·８·
土木工程学报
２００６ 年
公式； 若需考察钢丝应力变化， 则需用到高温下钢丝 应力松弛计算公式。因此， 对高温下预应力钢丝进行 蠕变试验研究和应力松弛试验研究， 建立高温下预应 力钢丝蠕变计算公式和应力松弛计算公式， 是必要 的。
高温下预应力钢材的蠕变性能研究开展较早。 １９５９ 年 ， Ｍａｕｒｉｃｅ Ｆｒａｎｋ Ｄａｙ 等 人 对 英 国 ４ 个 厂 家 生 产的预应力钢丝进行了高温蠕变试验， 并定性地为预 应 力 结 构 抗 火 设 计 提 出 了 一 些 有 益 的 结 论 ［ １］ 。 但 其 试 验与结论都只是探索性的， 无法应用于定量的计算分 析中。清华大学对我国常用的Ⅰ～Ⅴ级钢筋进行了温 度条件为 ４００ ℃和 ６００ ℃的 高 温 蠕 变 试 验 ， 并 给 出 了 高 温 下 钢 筋 的 蠕 变 计 算 公 式 ［ ２］ 。 同 济 大 学 对 １５７０ 级 φＰ５ 高强钢丝进行了持荷 ４０ ｍｉｎ 的蠕变试验，给出 了高温下该强度等级钢丝蠕变应变与温度、蠕变应力 及 蠕 变 时 间 的 关 系 公 式 ［ ３］ 。 已 有 研 究 获 得 了 宝 贵 数 据 和有益结论， 但考虑到已有试验高温下钢丝持荷时间 相对较短， 研究对象并非预应力主导钢材， 也未见到 有关高温下预应力钢丝应力松弛的试验研究文献， 因 此， 这些研究成果尚难以完全满足现代预应力结构抗 火 分 析 与 设 计 的 需 要 。 鉴 于 此 ， 我 们 选 取 １７７０ 级 φＰ５ 低松弛预应力钢丝为研究对象， 进行了 ２５ 个钢 丝试件的高温蠕变试验和 ２６ 个钢丝试件的高温应力 松弛试验。同时， 进行了 １ 个钢丝试件的高温下温度 膨胀试验。
ＳＦ６２ 高温炉炉膛长 ２１０ ｍｍ， 内径 ３５ ｍｍ， 通过 试验机的左侧立柱来固定， 由两个半圆柱壳组成。炉 的额定功率为 １．４ ｋＷ， 最高温度可达 １１００ ℃。高温 炉的右侧为与其配套的应变引伸计预留了足够空间，
图 ３ 实测常温下钢丝应力－应变关系曲线 Ｆｉｇ． ３ Ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｒ ｅｓｓ－ｓｔｒ ａｉｎ ｃｕｒ ｖｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒ ｅ ａｔ
１ 试验设备
图 １ ＭＴＳ８１０ 试验机组成及其工作原理示意图 Ｆｉｇ． １ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒ ｋｉｎｇ ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＭＴＳ８１０
图 ２ 与 ＳＦ６２ 高温炉配套的高温应变引伸计 Ｆｉｇ． ２ Ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｓｔｒ ａｉｎ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ＳＦ６２
每隔 ５０ ℃一个水平。应力水平共选取了 ５ 个， 分别
为 ２５０ Ｎ／ｍｍ２、 ５０１ Ｎ／ｍｍ２、 ７５１ Ｎ／ｍｍ２、 １００２ Ｎ／ｍｍ２
和 １１６９ Ｎ／ｍｍ２。 考 虑 到 随 温 度 的 升 高 ， 钢 丝 的 极 限
强度不断下降， 因此高应力水平、高温度水平的试件
可能在未达到预定应力水平时就被拉断， 故按照文献
限强度的差值随温度升高而增大的规律。完成了 ２６ 个钢丝 试件的高温下应力松弛试验 ， 得 到 高 温 下 钢 丝 应 力 松
弛与时间的关系曲线， 建立高温下钢丝应力松弛的计算公式， 揭示了钢丝初应力越大， 所受温度越高， 松弛时间
越长， 应力松弛值越大的规律。完成 １ 个钢丝试件的高温下温度膨胀试验， 得到钢丝膨胀应变随温度升高而增长
第 ３９ 卷第 ８ 期 ２００６年８月
土木工程学报 ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖｏｌ ． ３９ Ｎｏ． ８ Ａｕｇ． ２ ０ ０ ６
高温下 １７７０ 级 !Ｐ５ 钢丝蠕变及应力松弛性能试验江哈尔滨 １５００９０）
摘要：鉴于高温下预应力钢 丝 蠕 变 、 应 力 松 弛 及 温 度 膨 胀 性 能 是 影 响 预 应 力 结 构 抗 火 性 能 的 重 要 因 素 ， 以 １７７０
Ｚｈａｎｇ Ｈａｏｙｕ Ｚｈｅｎｇ Ｗｅｎｚｈｏｎｇ （Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５００９０， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ ｃｒｅｅｐ， ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｒｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅｓ （ ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆｐｔｋ ＝１７７０Ｎ／ｍｍ２， ｌｏｗ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ） ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅｓｅ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｃｒｅｅｐ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｎ ２５ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ａｎｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｆａｃｔｏｒｓ （ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｉｍｅ） ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ ｌｉｍｉｔ ｗｉｔｈ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｎｄｕｒａｎｃｅ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｌｉｍｉｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｅｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｎ ２６ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ａｎｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｆａｃｔｏｒｓ （ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｉｍｅ） ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ａ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ； ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； ｃｒｅｅｐ； ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｅ－ｍａｉｌ： ｚｈｅｎｇｗｅｎｚｈｏｎｇ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
［ ４］ 中高温下 １７７０ 级 φＰ５ 低松弛预应力钢丝拉伸试
验所得的高温下极限强度计算公式（１）来确定每个试件
的最高应力水平：
ｆｐｕ（Ｔ）／ｆｐｕ＝０．９９＋４．７５×１０－４×Ｔ－ ５．５７×１０－６×Ｔ２＋
１．０２×１０－ ９×Ｔ３＋４．５５×１０－ １２×Ｔ４
（１）
式中： ｆｐｕ（Ｔ）为温度为 Ｔ 时钢丝极限强度。 同时， 由于较低温度和较低应力状态下钢丝蠕变
第 ３９ 卷 第 ８ 期
张昊宇等·高温下 １７７０ 级 !Ｐ５ 钢丝蠕变及应力松弛性能试验研究
·９·
３ 高温下钢丝蠕变性能
３．１ 试验方案
高温下钢丝蠕变试验共选取 ２５ 个钢丝试件。试
验考虑了温度水平和应力水平 ２ 个关键参数对钢丝蠕
变的影响。为了较为细致地考察温度对蠕变的影
响 ， 共选取了 １０ 个温度水 平 ， 由 １００ ℃至 ５５０ ℃，
图 １ 为 ＭＴＳ 试验机组成及工 作 原 理 图 。 试 验 机 的上、下夹头用来夹紧钢丝试件， 其额定载荷为 ２５０ ｋＮ， 上夹头顶部的力传感器精度为 ０．０１ ｋＮ。位移传感器 在试验机基座内部， 与试验机下夹头相连， 可在试 验过程中记录上、下夹头的相对位移， 其精度为 ０．０１ ｍｍ。 高温应变引伸计如图 ２ 所示， 其测量标距为 ２５ ｍｍ， 测量范围为 ６００００ με， 精度 为 ６ με。试验 时， 玻璃棒伸入炉内， 借助其端部的燕尾槽与试件紧 紧相接， 试件标距段的长度变化即可由玻璃棒传至引 伸计， 由 ＭＴＳ 控制器采集， 并换算为 量测区段的平 均应变。
基金项目： 黑龙江省杰出青年科学基金 （ ２００１－８） 作者简介： 张昊宇， 博士研究生 收稿日期： ２００５－０５－３１
能的重要影响因素， 有必要对其进行详细的试验研 究， 从而为预应力结构的抗火性能研究提供必要的基 础性素材。
蠕变与应力松弛都是由于金属的位错滑移、原子 扩散和晶界滑动而产生的， 二者是同一本质的不同表 现形式。对于处在火灾环境下的预应力结构， 由于预 应力钢丝处于高温状态， 应力松弛 （ 或蠕变） 值较常 温下将明显增大， 使预应力结构的抗火性能受到显著 影响。同时， 在进行预应力结构抗火性能分析时， 若 需考察钢丝的应变变化， 需用到高温下钢丝蠕变计算
由 该 曲 线 可 知 ， 其 常 温 下 极 限 强 度 ｆｐｕ＝１８０３ ． ５ Ｎ／ ｍｍ２； 极限强度点应变 εｂ＝５１３２６ με； 弹性模量 Ｅｓ＝ ２．０４ ×１０５ Ｎ／ｍｍ２； 比 例 极 限 σｐ＝１４１２．１ Ｎ／ｍｍ２； 条 件 屈 服 强 度 ｆ０．２＝１６３４．５ Ｎ／ｍｍ２； 条 件 屈 服 点 应 变 ε０．２＝１００００ με。
级低松弛预应力钢 丝为对象开展了研究工作。完成了 ２５ 个钢丝试件的高温蠕变试验， 得 到 钢 丝 高 温 蠕 变 应 变 与
时间的关系曲线， 建立起钢丝高温蠕变应变计算公式， 揭示出蠕变应变随温度升高、应力水平增长及蠕变时间延
长而增大的规律； 提出考虑高温蠕变影响的钢丝持久极限强度计算公式， 揭示了高温下钢丝持久强度与高温下极
目前， 绝大部分结构的预应力都是通过合理布置 并张拉高强钢丝、钢绞线来施加的。当预应力结构遭 遇火灾时， 其钢丝、钢绞线将处于高温工作状态， 产 生显著的应力松弛 （ 或蠕变） 和温度膨胀， 这将使结 构中的预应力明显降低， 导致结构抗力退化、变形显 著增加。因此， 高温下钢丝、钢绞线的应力松弛性能 （ 或蠕变性能） 和温度膨胀性能是预应力结构抗火性
的规律， 初步提出钢丝高温膨胀应变计算公式。
关键词：预应力钢丝； 高温； 蠕变； 应力松弛； 膨胀
中图分类号： ＴＵ５１１．３＋２
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１３１Ｘ （ ２００６） ０８－０００７－０７
Ａｎ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒ ｅｅｐ ａｎｄ ｓｔｒ ｅｓｓ ｒ ｅｌａｘａｔｉｏｎ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ １７７０－!Ｐ５ ｐｒ ｅｓｔｒ ｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒ ｅｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅｓ
现象很微弱， 蠕变值甚至小于试验机的误差值， 故此
情况下的试验意义不大。故选取的试件如图 ４ 所示，
ｆｕｒ ｎａｃｅ 以满足试验要求。试验时， 炉膛上、下孔洞用矿渣棉 填充， 以起到保温效果。
２ 钢丝试件原始状况
通过对 ２ 根直径为 ５．０２ ｍｍ 的 １７７０ 级 φＰ５ 低松 弛预应力钢丝试件的常温下拉伸试验， 得到了如图 ３ 所示应力－ 应变关系曲线。
采用哈尔滨汽轮机厂的 ＭＴＳ８１０ 材料性能试验机 和与试验机配套的 ＳＦ６２ 高温材性试验炉。
·８·
土木工程学报
２００６ 年
公式； 若需考察钢丝应力变化， 则需用到高温下钢丝 应力松弛计算公式。因此， 对高温下预应力钢丝进行 蠕变试验研究和应力松弛试验研究， 建立高温下预应 力钢丝蠕变计算公式和应力松弛计算公式， 是必要 的。
高温下预应力钢材的蠕变性能研究开展较早。 １９５９ 年 ， Ｍａｕｒｉｃｅ Ｆｒａｎｋ Ｄａｙ 等 人 对 英 国 ４ 个 厂 家 生 产的预应力钢丝进行了高温蠕变试验， 并定性地为预 应 力 结 构 抗 火 设 计 提 出 了 一 些 有 益 的 结 论 ［ １］ 。 但 其 试 验与结论都只是探索性的， 无法应用于定量的计算分 析中。清华大学对我国常用的Ⅰ～Ⅴ级钢筋进行了温 度条件为 ４００ ℃和 ６００ ℃的 高 温 蠕 变 试 验 ， 并 给 出 了 高 温 下 钢 筋 的 蠕 变 计 算 公 式 ［ ２］ 。 同 济 大 学 对 １５７０ 级 φＰ５ 高强钢丝进行了持荷 ４０ ｍｉｎ 的蠕变试验，给出 了高温下该强度等级钢丝蠕变应变与温度、蠕变应力 及 蠕 变 时 间 的 关 系 公 式 ［ ３］ 。 已 有 研 究 获 得 了 宝 贵 数 据 和有益结论， 但考虑到已有试验高温下钢丝持荷时间 相对较短， 研究对象并非预应力主导钢材， 也未见到 有关高温下预应力钢丝应力松弛的试验研究文献， 因 此， 这些研究成果尚难以完全满足现代预应力结构抗 火 分 析 与 设 计 的 需 要 。 鉴 于 此 ， 我 们 选 取 １７７０ 级 φＰ５ 低松弛预应力钢丝为研究对象， 进行了 ２５ 个钢 丝试件的高温蠕变试验和 ２６ 个钢丝试件的高温应力 松弛试验。同时， 进行了 １ 个钢丝试件的高温下温度 膨胀试验。
ＳＦ６２ 高温炉炉膛长 ２１０ ｍｍ， 内径 ３５ ｍｍ， 通过 试验机的左侧立柱来固定， 由两个半圆柱壳组成。炉 的额定功率为 １．４ ｋＷ， 最高温度可达 １１００ ℃。高温 炉的右侧为与其配套的应变引伸计预留了足够空间，
图 ３ 实测常温下钢丝应力－应变关系曲线 Ｆｉｇ． ３ Ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｒ ｅｓｓ－ｓｔｒ ａｉｎ ｃｕｒ ｖｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒ ｅ ａｔ
１ 试验设备
图 １ ＭＴＳ８１０ 试验机组成及其工作原理示意图 Ｆｉｇ． １ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒ ｋｉｎｇ ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＭＴＳ８１０
图 ２ 与 ＳＦ６２ 高温炉配套的高温应变引伸计 Ｆｉｇ． ２ Ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｓｔｒ ａｉｎ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ＳＦ６２
每隔 ５０ ℃一个水平。应力水平共选取了 ５ 个， 分别
为 ２５０ Ｎ／ｍｍ２、 ５０１ Ｎ／ｍｍ２、 ７５１ Ｎ／ｍｍ２、 １００２ Ｎ／ｍｍ２
和 １１６９ Ｎ／ｍｍ２。 考 虑 到 随 温 度 的 升 高 ， 钢 丝 的 极 限
强度不断下降， 因此高应力水平、高温度水平的试件
可能在未达到预定应力水平时就被拉断， 故按照文献
限强度的差值随温度升高而增大的规律。完成了 ２６ 个钢丝 试件的高温下应力松弛试验 ， 得 到 高 温 下 钢 丝 应 力 松
弛与时间的关系曲线， 建立高温下钢丝应力松弛的计算公式， 揭示了钢丝初应力越大， 所受温度越高， 松弛时间
越长， 应力松弛值越大的规律。完成 １ 个钢丝试件的高温下温度膨胀试验， 得到钢丝膨胀应变随温度升高而增长
第 ３９ 卷第 ８ 期 ２００６年８月
土木工程学报 ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖｏｌ ． ３９ Ｎｏ． ８ Ａｕｇ． ２ ０ ０ ６
高温下 １７７０ 级 !Ｐ５ 钢丝蠕变及应力松弛性能试验江哈尔滨 １５００９０）
摘要：鉴于高温下预应力钢 丝 蠕 变 、 应 力 松 弛 及 温 度 膨 胀 性 能 是 影 响 预 应 力 结 构 抗 火 性 能 的 重 要 因 素 ， 以 １７７０
Ｚｈａｎｇ Ｈａｏｙｕ Ｚｈｅｎｇ Ｗｅｎｚｈｏｎｇ （Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５００９０， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ ｃｒｅｅｐ， ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｒｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅｓ （ ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆｐｔｋ ＝１７７０Ｎ／ｍｍ２， ｌｏｗ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ） ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅｓｅ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｃｒｅｅｐ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｎ ２５ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ａｎｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｆａｃｔｏｒｓ （ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｉｍｅ） ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ ｌｉｍｉｔ ｗｉｔｈ ｃｒｅｅｐ ｓｔｒａｉｎ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｎｄｕｒａｎｃｅ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｌｉｍｉｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｅｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｎ ２６ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｈｅｎ ａｎｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｆａｃｔｏｒｓ （ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｉｍｅ） ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ａ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｉｓ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ； ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； ｃｒｅｅｐ； ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｅ－ｍａｉｌ： ｚｈｅｎｇｗｅｎｚｈｏｎｇ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
［ ４］ 中高温下 １７７０ 级 φＰ５ 低松弛预应力钢丝拉伸试
验所得的高温下极限强度计算公式（１）来确定每个试件
的最高应力水平：
ｆｐｕ（Ｔ）／ｆｐｕ＝０．９９＋４．７５×１０－４×Ｔ－ ５．５７×１０－６×Ｔ２＋
１．０２×１０－ ９×Ｔ３＋４．５５×１０－ １２×Ｔ４
（１）
式中： ｆｐｕ（Ｔ）为温度为 Ｔ 时钢丝极限强度。 同时， 由于较低温度和较低应力状态下钢丝蠕变
第 ３９ 卷 第 ８ 期
张昊宇等·高温下 １７７０ 级 !Ｐ５ 钢丝蠕变及应力松弛性能试验研究
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３ 高温下钢丝蠕变性能
３．１ 试验方案
高温下钢丝蠕变试验共选取 ２５ 个钢丝试件。试
验考虑了温度水平和应力水平 ２ 个关键参数对钢丝蠕
变的影响。为了较为细致地考察温度对蠕变的影
响 ， 共选取了 １０ 个温度水 平 ， 由 １００ ℃至 ５５０ ℃，
图 １ 为 ＭＴＳ 试验机组成及工 作 原 理 图 。 试 验 机 的上、下夹头用来夹紧钢丝试件， 其额定载荷为 ２５０ ｋＮ， 上夹头顶部的力传感器精度为 ０．０１ ｋＮ。位移传感器 在试验机基座内部， 与试验机下夹头相连， 可在试 验过程中记录上、下夹头的相对位移， 其精度为 ０．０１ ｍｍ。 高温应变引伸计如图 ２ 所示， 其测量标距为 ２５ ｍｍ， 测量范围为 ６００００ με， 精度 为 ６ με。试验 时， 玻璃棒伸入炉内， 借助其端部的燕尾槽与试件紧 紧相接， 试件标距段的长度变化即可由玻璃棒传至引 伸计， 由 ＭＴＳ 控制器采集， 并换算为 量测区段的平 均应变。
基金项目： 黑龙江省杰出青年科学基金 （ ２００１－８） 作者简介： 张昊宇， 博士研究生 收稿日期： ２００５－０５－３１
能的重要影响因素， 有必要对其进行详细的试验研 究， 从而为预应力结构的抗火性能研究提供必要的基 础性素材。
蠕变与应力松弛都是由于金属的位错滑移、原子 扩散和晶界滑动而产生的， 二者是同一本质的不同表 现形式。对于处在火灾环境下的预应力结构， 由于预 应力钢丝处于高温状态， 应力松弛 （ 或蠕变） 值较常 温下将明显增大， 使预应力结构的抗火性能受到显著 影响。同时， 在进行预应力结构抗火性能分析时， 若 需考察钢丝的应变变化， 需用到高温下钢丝蠕变计算