林立華 傅彥青 常海林 張 菁 李 潔

(1.廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,福建廈門 361000;2.中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088;3.中冶檢測認(rèn)證有限公司,北京 100088;4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

0 引 言

廈門市翔安大橋起點(diǎn)位于枋鐘路與金尚路交叉點(diǎn),以橋梁形式跨越環(huán)島路進(jìn)入東側(cè)海域,跨海段沿白海豚核心保護(hù)區(qū)外圍通過,在翔安側(cè)劉五店避風(fēng)塢登陸,終點(diǎn)接已建的劉五店互通主線橋。路線全長12.323 km,基本呈東西走向。

廈門市翔安大橋有里程長、規(guī)模大、孔數(shù)多、海上作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且臨近白海豚自然保護(hù)區(qū),生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求高等特點(diǎn);基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理的設(shè)計理念,大橋跨海段采用裝配式墩臺結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 節(jié)段式橋墩Fig.1 Schematic diagrams of segmental pier

對于裝配式墩臺,如何確保節(jié)段間接縫的可靠連接及海洋環(huán)境下接縫的耐久性是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題。現(xiàn)今高強(qiáng)螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力體系作為國內(nèi)外節(jié)段式橋梁結(jié)構(gòu)連接錨固的主要連接方式,具有安裝、施工方便,耐腐蝕性較好,塑性儲備高等優(yōu)點(diǎn)[1]。國內(nèi)以往采用精軋螺紋鋼筋,見圖2a,但受生產(chǎn)裝備和軋制工藝的制約,其公稱直徑一般不超過50 mm,短預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后的預(yù)應(yīng)力損失值高達(dá)50%,容易引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂[2],制約了其在橋梁工程中的推廣和應(yīng)用;而冷滾壓高強(qiáng)螺紋鋼筋,見圖2b,利用冷滾壓工藝成型,通過擠壓使得鋼筋表面組織致密,促使表面硬化,提高材料疲勞性能的同時加工長度不受長徑比的限制,見圖3,鋼筋直徑可達(dá)75 mm以上,且規(guī)格較為靈活[3]。同時,因其具有高效、節(jié)能、低耗成型工藝,且握裹力可靠、張拉后回縮值小等優(yōu)點(diǎn),在國際上已被廣泛地采用。

a—精軋螺紋鋼筋;b—冷滾壓螺紋鋼筋。圖2 高強(qiáng)螺紋鋼筋Fig.2 High-strength threaded rebars

a—冷滾壓加工;b—鋼筋縱斷面,mm;c—鋼筋滾壓次數(shù)分布。圖3 鋼筋冷滾壓加工Fig.3 Cold rolling processing of rebar

國內(nèi)對大直徑高強(qiáng)冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋的研究只涉及連接錨固體系技術(shù)應(yīng)用等方面[4-6],探討了大直徑高強(qiáng)螺紋鋼筋在裝配式橋梁中的應(yīng)用,研發(fā)了一種預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺紋鋼筋連接錨固體系,但在冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋微觀組織分析及力學(xué)性能方面缺乏深入研究。本次針對75 mm大直徑冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋開展截面組織分析、全尺寸鋼筋單軸拉伸試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)研究,進(jìn)行冷滾壓工藝下大直徑螺紋鋼筋截面微觀組織分析,同時研究鋼筋宏觀力學(xué)性能,為冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋在各類重大工程中的應(yīng)用提供必要的支撐。

1 試驗(yàn)材料

選取公稱直徑φ75 mm的冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行研究,級別為PSB930。鋼筋材料牌號為42CrMo,材料化學(xué)成分見表1,屬于合金結(jié)構(gòu)鋼,具有高強(qiáng)度、高韌性、較高的淬透性及無明顯回火脆性等優(yōu)點(diǎn),調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力,并且低溫沖擊韌性好。

表1 實(shí)測鋼筋化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of rebar %

試驗(yàn)所用鋼筋分別采用兩種生產(chǎn)工藝,工藝流程如圖4所示。工藝2和工藝1鋼筋中部螺紋滾壓次數(shù)不同,見圖3b、圖3c,工藝2的淬火和回火溫度提高,保溫時間加長。

圖4 生產(chǎn)工藝流程Fig.4 Production process flow chart

2 鋼筋橫截面微觀組織分析

2.1 試驗(yàn)概述

因試驗(yàn)用冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑較大,可能存在變形及熱處理不充分帶來的內(nèi)部缺陷及組織不均勻等問題。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸浸檢驗(yàn)法》,對第一種工藝生產(chǎn)的鋼筋橫截面進(jìn)行低倍組織觀察,檢測鋼筋是否存在縮孔、疏松、偏析、白點(diǎn)、氣泡等缺陷。

對鋼筋包含從表層到心部的位置進(jìn)行微觀組織分析取樣,如圖5所示,對觀察面逐次采用400#、800#、1 000#、1 500#和2 000#砂紙打磨后,在P2型金相拋光機(jī)上拋光,隨后采用4%硝酸酒精侵蝕。通過LEICA公司DM2700M型光學(xué)顯微鏡和 ZEISS Gemini 500 場發(fā)射掃描電鏡來分析鋼筋的微觀組織,進(jìn)而判斷組織的種類、分布等,得出組織與性能的變化規(guī)律。

圖5 金相分析取樣Fig.5 A schematic diagram of sampling for metallographic analysis

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1低倍組織檢驗(yàn)

鋼筋的低倍組織檢測結(jié)果如圖6所示,其中圖6b為圖6a的局部放大圖?？梢钥闯?在酸浸試片的中心部位有集中分布的空隙和暗點(diǎn),且這些空隙和暗點(diǎn)僅存在于試樣的中心部位,可判斷鋼筋存在中心疏松現(xiàn)象,對比標(biāo)準(zhǔn)圖譜可以判斷出中心疏松不超過1級。中心疏松是由于鋼液凝固時體積收縮引起的組織疏松及鋼錠中心部位因最后凝固使氣體析集和夾雜物聚集較為嚴(yán)重所致,與鋼錠的冷凝速度有著很大的關(guān)系。此外,低倍結(jié)果顯示試樣沒有產(chǎn)生白點(diǎn)、偏析、縮孔等缺陷,鋼的冶金質(zhì)量較好。

a—橫截面低倍組織;b—橫截面低倍組織放大;c—縱剖面螺紋形貌;d—縱截面低倍組織。圖6 低倍組織形貌Fig.6 Macrostructure morphology

圖6c為鋼筋縱剖面螺牙處形態(tài)。滾壓本質(zhì)是通過兩個硬度高的滾壓模加工光桿形成螺紋冷擠壓過程[7],也是金屬材料重新分配的過程。滾壓模螺紋齒頂首先切入在螺栓光桿表面,最先形成螺紋的齒根。擠壓出材料會順著滾壓模螺紋齒頂部的邊緣逐步緩慢凸起,金屬逐步充滿工具牙型和棒料牙型之間的間隙后會形成牙頂,在圖中可看到在三次滾壓成型后螺牙頂部形成較深的折疊[8]。

圖6d是鋼筋縱向截面觀察低倍組織,可以看到流線形態(tài),這是金屬材料在熱塑性變形加工時,內(nèi)部粗大枝晶及各種夾雜物沿著最工件大主變形方向被拉長,宏觀上呈現(xiàn)一條條細(xì)線即熱加工流線,流線的存在使材料具有各向異性,如鋼筋的力學(xué)性能,其縱向(沿纖維方向)的力學(xué)性能高于橫向(垂直于纖維方向)的力學(xué)性能。同時,螺紋根部纖維流線分布是否合理、是否存在顯微裂紋都將關(guān)系到鋼筋的強(qiáng)度和使用壽命。圖中可見滾壓成型使金屬的塑性變形在螺紋表層較強(qiáng),距表層越遠(yuǎn)變形越小,滾壓成型使金屬材料沿螺紋牙型重新分布,金屬流線不被切斷并在牙底處具有最大密度,可使得鋼筋的抗拉能力和抗疲勞斷裂的能力大大提高[9]。

2.2.2鋼筋橫截面微觀組織分析

圖7從左到右依次為鋼筋橫截面表層、1/2R(R為鋼筋半徑)處和心部的微觀組織形貌,可見從表面到心部,組織尺寸逐漸增加。圖7a顯示鋼筋表層為保留馬氏體位向的回火索氏體及少量鐵素體的調(diào)質(zhì)后組織;相比于表面,圖7b 1/2R處組織的均勻性減弱,試樣中產(chǎn)生了自奧氏體晶界開始,向晶內(nèi)伸展成束、大致平行的鐵素體板條,即上貝氏體組織。上貝氏體組織脆性,硬度較高,且因碳化物顆粒粗大,強(qiáng)化作用較小,特別因有片狀鐵素體存在,可能成為裂紋發(fā)展的通道,抗沖擊性也較差,且會降低鋼筋的抗拉強(qiáng)度;圖7c心部組織為回火索氏體,局部還存在鐵素體組織和上貝氏體組織?？梢?對于直徑較大的鋼筋,因在淬火過程中不同位置冷速差異大,鋼筋從表面到心部的冷速逐漸降低,心部往往難以淬透,從而使鋼筋由表層到心部組織不均勻。

a—表層;b—1/2 R;c—心部。圖7 表層到心部金相組織Fig.7 Metallographic structure from surface to center

對鋼筋縱截面進(jìn)行了掃描電鏡觀察,鋼筋表層形貌如圖8a所示,鐵素體基體上分布著碳化物的回火索氏體組織,碳化物尺寸非常細(xì)小,呈彌散狀分布,主要以片狀以及顆粒狀存在;1/2R處鋼筋的SEM如圖8b所示,主要為回火索氏體組織,碳化物主要以片狀以及部分顆粒狀存在,回火索氏體是由細(xì)粒狀滲碳體和等軸鐵素體所構(gòu)成的復(fù)相組織。存在部分的上貝氏體組織,上貝氏體中碳化物沿條間呈不連續(xù)的粒狀或鏈珠狀分布;圖8c為心部SEM圖像,與1/2R處組織組成類似,組織尺寸更大。從微觀上進(jìn)一步反映了鋼筋由表層到心部組織的不均勻性。

a—表層;b—1/2 R;c—心部。圖8 表面到心部掃描電鏡圖像Fig.8 Surface-to-center scanning electron microscope images

3 鋼筋力學(xué)性能研究

3.1 單軸拉伸試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)概述

目前對于冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)用通常采用極限強(qiáng)度的設(shè)計方法,但為了保證應(yīng)用安全性,要讓冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋在正常使用階段處于彈性狀態(tài)。保證鋼筋在實(shí)際應(yīng)用過程中的安全性,包括兩個層次：1)在正常使用時或常遇荷載時,鋼筋需處于彈性狀態(tài)下而不能明顯進(jìn)入塑性,屈服點(diǎn)通常為這個設(shè)計要求的上界;2)考察鋼筋的延性或安全儲備[10]。因此,需要明確構(gòu)件的屈服點(diǎn)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

準(zhǔn)確的本構(gòu)模型能夠很好地計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、構(gòu)件的受力性能,同時相對簡便的表達(dá)形式則能夠方便設(shè)計和科研人員的應(yīng)用,無論是對實(shí)際工程設(shè)計還是對數(shù)值計算來說都是十分重要的。冷滾壓螺紋鋼筋由退火狀態(tài)的42CrMo鋼筋經(jīng)冷滾壓及調(diào)質(zhì)熱處理加工而成,滾壓后對鋼筋表面的強(qiáng)化和調(diào)質(zhì)熱處理后對鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響,因此研究加工完成后的成品鋼筋的單軸拉伸性能具有重要意義。

依據(jù)GB/T 228.1—2010[11]對兩種不同工藝下的冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行全尺寸單軸拉試驗(yàn),得到鋼筋屈服強(qiáng)度σy、極限強(qiáng)度σu、斷后伸長率等重要性能參數(shù)。選取工藝1生產(chǎn)的6根鋼筋,編號為試件1-1～6;同時選取工藝2生產(chǎn)的3根鋼筋,編號為試件2-1～3。試驗(yàn)采用PWA-2000微型控制電流伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行加載,加載控制方式為力控制,目標(biāo)荷載為5 000 kN,加載速率為1 000 kN/min。拉伸試驗(yàn)見圖9。

a—試驗(yàn)前準(zhǔn)備;b—試驗(yàn)過程。圖9 拉伸試驗(yàn)Fig.9 Tensile test of rebars

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果

工藝1生產(chǎn)的6根鋼筋的軸拉力-位移曲線見圖10a,工藝2生產(chǎn)的3根鋼筋的軸拉力-位移曲線見圖10b。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線的觀察和分析可以看到,因鋼筋材料為高強(qiáng)度無流幅鋼,因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有屈服平臺。圖11為鋼筋拉伸斷裂后外觀形態(tài),可見鋼筋斷口位置存在明顯的頸縮。

a—工藝1;b—工藝2。圖10 兩種工藝下鋼筋軸力-位移曲線Fig.10 Relations between axial force and displacement of rebars under two processes

圖11 鋼筋拉伸斷口Fig.11 Tensile fracture of rebar

對于無流幅鋼,存在比例極限點(diǎn)、彈性極限點(diǎn),但沒有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通常工程中約定塑性殘余變形不超過0.2%(即處于工程可接受的范圍),基本處于“彈性狀態(tài)”,這樣材料的可用強(qiáng)度由圖12中的σp上升到σ0.2[10]。因此,在保證冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋安全應(yīng)用的原則上,充分利用鋼筋性能,以殘余變形不超過0.2%定義為鋼筋屈服點(diǎn)。建議實(shí)際工程設(shè)計中,正常使用狀態(tài)下或常遇荷載時,鋼筋設(shè)計要求的上界低于屈服點(diǎn)σ0.2,如圖12所示。鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和斷后伸長率參數(shù)見表2。

表2 兩種加工工藝下鋼筋力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical property parameters of rebars under two processing processes

圖12 冷滾壓螺紋鋼筋屈服點(diǎn)定義Fig.12 Yield point definition of cold-rolled threaded rebar

同時,結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需要對結(jié)構(gòu)中的冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行簡化,建議采用無屈服平臺的本構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計驗(yàn)算。對于無屈服平臺的材料,通常采用Ramberg-Osgood模型[12-13],能夠很好地模擬材料的非線性特性。但從一開始就需要進(jìn)行迭代運(yùn)算,可能對工程設(shè)計人員的使用帶來不變,兼顧計算效率和精度,建議設(shè)計階段采用多折現(xiàn)模型進(jìn)行計算[14],如圖13所示,模型各參數(shù)根據(jù)式(1)～式(4)確定。其中,m為應(yīng)變硬化指數(shù),與屈強(qiáng)比σ0.2/σu有關(guān),彈性模量E取2.06×105MPa。

圖13 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化模型Fig.13 Simplified stress-strain relation model of rebar

(1)

(2)

(3)

(4)

3.2 疲勞性能試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)概述

在疲勞問題中,由溝槽、尖角、缺口等局部區(qū)域引起的應(yīng)力集中是影響疲勞強(qiáng)度的主要因素,文獻(xiàn)[15]對42CrMo鋼材料進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明,42CrMo鋼的拉-拉疲勞極限在0.33σu～0.35σu。但對于冷滾壓螺紋鋼筋,當(dāng)滾壓螺紋時材料變形造成金屬晶粒產(chǎn)生滑移時,金屬的纖維未被切斷并使螺紋牙型表面材質(zhì)更為致密,會明顯提高鋼筋的疲勞性能,因此為研究冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋的疲勞性能,參照GB/T 20065—2016《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》、GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn) 軸向力控制試驗(yàn)》,開展了全尺寸鋼筋疲勞試驗(yàn)。圖14為疲勞試驗(yàn)用鋼筋取樣,圖15為500 t級數(shù)控疲勞試驗(yàn)機(jī)?？紤]實(shí)際預(yù)應(yīng)力鋼筋的服役載荷,設(shè)計了3種應(yīng)力幅值下的拉-拉疲勞試驗(yàn),荷載條件見圖16。試驗(yàn)最大次數(shù)設(shè)置為2×106次,加載頻率為3 Hz。

a—工藝1鋼筋取樣;b—工藝2鋼筋取樣。圖14 疲勞試驗(yàn)鋼筋取樣Fig.14 Sampling of rebars for fatigue test

圖15 500噸級疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.15 500-ton fatigue testing machine

圖16 3種疲勞荷載制度Fig.16 Three fatigue load systems

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

6根鋼筋的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出,工藝1和工藝2在第一種荷載條件下疲勞壽命均能達(dá)到200萬次;在80 MPa和195 MPa應(yīng)力幅下,因工藝2鋼筋增加了熱處理時間,改善了鋼筋組織均勻性,疲勞壽命與工藝1鋼筋疲勞壽命相比有了明顯提升。

表3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Fatigue test results

圖17為三個鋼筋疲勞斷口,斷裂均發(fā)生在鋼筋端部錨固端第一個螺紋處,即滾壓三次位置。從鋼筋疲勞斷口分析,疲勞源多萌生于螺紋根部。從1-2號和1-3號鋼筋疲勞斷口分析,當(dāng)存在多個疲勞源時,斷口上會形成疲勞臺階,依據(jù)疲勞源到疲勞臺階的距離可判定其萌生順序。疲勞裂紋沿著螺紋根部向鋼筋內(nèi)部擴(kuò)展,直至最終斷裂,可見瞬斷區(qū)存在大量具有塑性斷裂特征的韌窩。

a—1-2鋼筋斷口;b—1-3鋼筋斷口;c—2-3鋼筋斷口。圖17 斷口形貌分析Fig.17 Fracture morphology analysis

4 結(jié)束語

針對廈門市翔安大橋裝配式墩臺節(jié)段預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)75 mm直徑冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋開展了橫截面組織分析、單軸拉伸試驗(yàn)及疲勞性能試驗(yàn)研究,結(jié)論如下：

1)鋼筋表層組織主要為回火索氏體,在1/2R和中心檢測部位均出現(xiàn)了脆性上貝氏體組織,使硬度增加、塑性和韌性下降,可見鋼筋熱處理溫度和時間均有改善空間。

2)得到了冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋的單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,曲線無屈服平臺。兼顧非線性模型的準(zhǔn)確性和多折線模型的計算效率,建議設(shè)計階段結(jié)構(gòu)計算模型中冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋采用多折現(xiàn)模型計算;考慮鋼筋服役安全性,建議正常使用狀態(tài)下或常遇荷載時,鋼筋設(shè)計要求的上界低于屈服點(diǎn)σ0.2。

3)得到了三種疲勞荷載下冷滾壓螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。同時試驗(yàn)結(jié)果表明,改善調(diào)質(zhì)熱處理參數(shù),可有效提高鋼筋的疲勞性能。