PE钢拉索在某建筑工程项目长期服役后材料性能研究

1?项目概况

原北京工人体育场建成于1959年，是一座大型的综合体育场，如图1所示。1986年，体育场经历了一次改建，在看台上增加了钢结构雨篷；2008年，其作为北京奥运会足球比赛的主体育场，对体育场再次进行了加固改造，同时为了改善体育场内的照明效果，在钢结构雨篷上增加了6组预应力梭形柱支撑的灯架，其中东西两侧为16榀预应力梭形柱支撑的大灯架，体育场东北、西北、东南和西南约45°方向增加了4榀预应力梭形柱支撑的小灯架。

   

图1?原北京工人体育场实景

单榀预应力梭形柱柱脚锚固在原体育场的混凝土柱顶端，大灯架梭形柱与水平面呈42°倾斜布置，小灯架梭形柱与水平面呈63°倾斜布置，梭形柱柱顶后端由1根背索作为承重索拉着梭形柱，前端由2根稳定索呈人字形布置限制梭形柱平面外的摆动。

梭形柱顶端由桁架相互连接作为照明灯的布置平台和行走通道。梭形柱后端承重索规格为 ?5×61?mm，最小破断力为2?000?kN；前端稳定索规格为?5×19?mm，最小破断力为623?kN；钢拉索均为PE拉索，其抗拉强度为1?670?MPa。具体形式如图2所示。

   

图2?钢雨篷上单榀梭形柱示意

2?现场索力测试

为了研究预应力梭形柱支撑灯架使用13年后的索力分布情况，并保证拆除过程的安全性，在拆除前对一组大灯架后背索的索力进行实测，实测值与理论值的比较见表1。

表1?灯架后背索索力实测值与理论值比较

   

由表1可知，经过13年使用后背索实测值比理论值偏大，这与结构体系的特点相吻合，拉索索力最大偏差为33.5?%，平均偏差为16.5?%，最大索力值为288.4?kN，为拉索最小破断力的14.42?%，构件的安全系数较大，拉索处于弹性工作阶段。

3?拉索材料性能

3.1?PE保护层

原北京工人体育场灯架PE拉索保护层为2层，外层为白色，厚度为2~2.5?mm；里层为黑色，厚度为2.5~3?mm。灯架拆除后对拉索进行了外观检查。外层白色PE变得又脆又硬，且表面出现开裂。背索索体外层PE朝上部分由于暴露在阳光下，直射时间较长，开裂的程度相比朝下部分更严重。

将索体外层白色PE刮去后，观察内层的黑色PE并未出现开裂。参照表层PE保护层13年的老化开裂情况，可以推算内层PE保护层暴露在阳光下的老化时间为15年。该钢拉索若以PE保护层的老化情况来推断拉索的使用寿命，则暴露在室外阳光下的PE保护层使用寿命预计为30年，如果考虑钢丝的镀锌层厚度或在室内使用，其寿命可能会更长。

3.2?锚具

原北京工人体育场灯架拉索锚具为一端固定一端可调节的构造形式。经外观检查，拉索锚具仅局部出现锈点，并未出现大面积的锈蚀，锚具的防腐镀锌和油漆的处理方式可满足使用要求，但应定期对表面的局部锈蚀进行处理以保证其使用年限。

3.3?钢拉索抗拉强度

对原北京工人体育场拆除的3根?5×61背索和3根?5×19稳定索进行了整根张拉试验。考虑试验的安全性，每根拉索均张拉到公称破断力的80?%，即背索张拉到1?600?kN，稳定索张拉到500?kN。

当成品钢拉索制作完成后对其进行超张拉试验，得到超张拉的最大值仅为拉公称索破断力的55?%。而本次试验张拉到公称破断力的80?%，远大于钢拉索出厂时的超张力值，张拉到试验值后对张拉力进行持荷，然后对整根拉索进行检查，发现所有拉索的锚具均未出现变形，且锚具与索体的连接处均未出现明显滑移。

3.4?索体拆股检测

钢拉索整根张拉完成后，对其中一根拉索的索体进行拆股，选取9根钢丝，每3根为一组分别进行钢丝的拉伸、弯折、扭转缠绕3种性能试验。钢丝力学性能试验数据结果见表2。

表2?钢丝力学性能试验结果

   

（1）钢丝的力学性能，参照GB/T?17101—2019《桥梁缆索用热镀锌或锌铝合金钢丝》（以下简称标准）的规定。

由表2可知，抽样钢丝的公称截面积均大于19.6?mm ² ，可知钢丝的直径未发生变化，经过13年的使用后钢丝未出现径缩现象；抗拉强度最小值为1?679?MPa，大于1?670?MPa；塑性延伸强度最小值为1?501?MPa，大于标准规定的1?490?MPa；弹性模量均在标准规定的（2.0±0.1）×105?MPa以内；断后伸长率最小值为5.0?%，大于标准规定的4.0?%。

（2）钢丝的工艺性能。钢丝反复弯曲180°试验折断的最少次数为10次，满足标准不小于5次的要求；钢丝缠绕试验的最少圈数为6圈，小于标准规定的8圈要求。

综上试验数据可知：钢丝的各项力学性能指标均满足规范GB/T?17101—2019《桥梁缆索用热镀锌或锌铝合金钢丝》的规定和要求，工艺性能方面缠绕试验未满足现行标准的要求。

4?结论

原北京工人体育场灯架使用PE拉索材料的斜拉结构形式，拉索为室外构件，常年经受太阳暴晒和风吹雨淋。为研究PE拉索材料的长期服役后的性能，对使用了13年拉索的索力和材料性能进行了研究，得到了以下结论。

（1）钢拉索斜拉梭形柱灯架，斜拉的背索经过长期使用后索力会增加，平均增长16.5?%，与结构体系的性能发展趋势相吻合。

（2）PE拉索的锚具未发生大面积锈蚀，表面第一层PE出现了劣化，发生了开裂现象，第二层PE未出现开裂。

（3）PE拉索的整体性能均满足承载力的要求，抗拉强度基本未发生折减。

（4）PE拉索的钢丝力学性能满足标准的要求，未发生力学性能的折减，但其工艺性能出现了劣化。

由以上结论可见，索结构工程在使用一段时间后，索力值存在发生变化的可能。如果要保证PE拉索的使用寿命达到50年甚至更长，PE保护层的防老化性能至关重要。但目前PE拉索进场时，缺乏相关的PE材料性能见证试验或加工过程的抽样检测流程，PE拉索的保护层性能很难得到有效保证，在今后的验收标准制定中应增加保护层的可行性检测方法和流程。

此外，应重视索结构日常维护，建议索结构项目在使用一段时间后，应检查拉索锚具、锚固节点、索夹节点等锈蚀情况。如果采用PE拉索，应特别注意检查PE保护层老化程度，老化严重应及时处理。 未来建筑索结构的发展，还需要再进行大量系统的研究来评估各种拉索材料的使用寿命。