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预应力钢绞线破坏的鉴别和分析

预应力钢绞线已广泛应用于桥梁、建筑、水利水电、岩土锚固、工业及民用的特殊结构工程中,在运输、保管、应用及服役阶段,钢绞线可能发生各种形式的破坏(指钢绞线的品质受到损害),严重时可导致材料不能使用或结构失效。本文分析常见的破坏原因,提供调查的基本程序及预防建议。

1、预应力钢绞线破坏的分类

(1)机械性破坏:指外置钢绞线张拉及股役时发生的机械破坏。

(2)腐蚀破坏:因防护不当及环境因素造成的各种腐蚀破坏。

(3)热损害:火灾、电焊等热因素造成的钢绞线损害。

按破坏现象还可分类为断裂、腐蚀、变形、机械性损伤等。

2、钢绞线的断裂

2.1断裂原因

(1)因锚具质量问题或施工技术问题导致锚具的工作效率不足。

(2)轩设计或施工原因导致的钢绞线受力不当。

(3)断裂发生在热损伤或机械损伤处。

(4)材料的冶金缺陷。

(5)钢绞线规格与需求出现偏差(如级别不对)。

  拉拔造成的钢绞线方向性结构组织使其横向性能与纵向性能差别很大,侧压力的作用会降低钢绞线的强度,使断裂提早发生。曲线孔道、钢绞线交错、锚具及千斤顶安装操作不当均可能增大侧压力。

  接近400℃的稳定化处理已经减少了热力学的不稳定性,若再次受热,在400℃的较长时间加热会使位错运动加快并减少,强度开始下降,537℃的短时间加热也会破坏拉拔形成的纤维结构,使用强度明显下降,完全退火粕可能降至1100MPa以下。

表1是根据近十几年中对一些断裂情况的调查总结。

表1  钢绞线断口的分类、断裂因素及原因

断口分类因素可能的原因
斜面断口常见的锚具内断裂锚具效率系数不够,安装问题或润滑过度造成压力增大;锚具出口钢绞线有偏转,啮齿咬住的地方侧压力增大;滑丝问题改变力的分布,可能导致断丝
孔道内断裂钢绞线交错、孔道质量问题或张力问题
超张拉断裂操作失误、摩阻估计过大或计量等问题造成张力过大
放张时断裂放张过快或自由段过短
养护期断裂由于养护后降温、混凝土收缩或开始切割后导致钢绞线应力增大,可能发生断丝,一般对构件质量没有影响
不平整的断口热损伤型断裂由火焰切割的金属、火花、直接电焊或间接的电焊回路打火烧损造成,强度及延伸率会明显下降
机械损伤断裂卸货、转运、现场操作等问题
其他类型偶然出现的冶金缺陷
有缩颈的断口张力过大操作失误、摩阻估计过大或计量等问题造成;卸货时的猛烈钩拉
电焊回火在电焊回路中发热可能会出现强度下降
火灾火灾导致的强度下降(表面可能有烧损的包装残留物或色泽变化)
同时有其他断口缩颈不是首次断裂,原因可能在其他钢丝上

  按照FIP(现改为FIB)验收规范的要求,锚具的工作效率要达到95%,而实际采用的最大超张拉力不超出标准强度的80%。虽然采用好的锚具不太可能断裂,但实际应用时与试验室鉴定不同,孔道经常是弯曲的,操作不易控制且存在环境影响因素等。

  由于钢绞线稳定化处理时受张力约相当于室温下强度的75%,质量不好的钢绞线不能顺利地通过此工序,所以残留到钢绞线上的冶金缺陷是极少的。

2.2断裂安全

(1)安例1:某工地预制厂张拉时断丝频繁,原因是该厂同时采用了塑料膜和润滑脂。不同塑料膜后断丝完全消除。锚具内过小的摩擦会导致对钢绞线的高压应力,而高强度钢绞线对侧压力较敏感,易导致断丝。

(2)案例2:某工地钢绞线受旁边的电焊操作伤害而发生张拉断丝(钢绞线表面可发现焊接灼伤),但工地极少有人知道这次焊接。

(3)案例3:张拉时孔道中发生咚咚声响,这是由孔道中过大摩阻造成的。该摩阻使沿孔道应力不均匀度非常大,即钢绞线的伸长也不是均匀的。增大的张拉力会逐步克服其中的摩擦力,使钢绞线的延伸跳跃式发展,每次重新分布的瞬间会降低两端应力,然后千斤顶又使其拉紧,这种力的快速波动导致孔道空气的震荡,产生咚咚声。若有其他问题,这种震荡过程中也可能在锚具位置发生一些断丝。

(4)案例4:一座桥的架梁(横向)张拉时发生频繁断丝,位置均在离端部约450mm处。断口附近均有电流灼伤痕迹。现场调查发现钢绞线是预先穿进金属扁管的,布筋后在端部附近进行了钢筋焊接工作。电焊的地线搭在钢绞线尾部。钢绞线处于电焊回路中,钢绞线与管道的不良接触导致了打火现象。若不能改变施工工艺,宜改用塑料波纹管。

2.3调查断裂的一般方法

(1)调查的基本思想为观察断裂样品的特征,然后按照表1并根据断口特征做出初步判断,再根据情况调查现场环境、工作记录、施工图纸,并询问施工人员及现场的工程师。

(2)不要被断口正常迷惑,个别的异常断口可能引发一系列的正常断裂。肉眼无法鉴别的热损伤可导致强度下降,断口却可能是很正常的缩颈形式。


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