我国预应力钢材的现状及发展趋势

    中国预应力钢材的生产起步于60年代初期，因受计划经济影响到20世纪80年代中期生产能力只有4．5万t，主要品种为普通松弛级预应力钢丝、钢绞线和调质热处理钢筋，属低档产品。随着我国改革开放和经济建设的不断深入，经国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”期间的发展，我国预应力钢材生产技术与装备发生了质的变化，因此拉动了我国高速线材生产的飞速发展，同时也促进了预应力混凝土结构工程领域设计、施工与用料的技术进步和更新换代。目前，我国预应力钢材从生产到应用已形成了较完整的体系。

1 我国预应力钢材的生产现状

1．1 预应力钢丝
    预应力钢丝是国内最早生产的预应力钢材，至今已有40余年的历史，应用范围十分广泛，但随着预应力钢材生产业和混凝土施工业的不断进步，预应力钢丝在许多领域已被预应力钢绞线和预应力钢棒所替代。目前，国内生产预应力钢丝的企业有190余家(含乡镇企业和个体企业)，但真正具备完善的生产技术和检测能力的企业仅30余家，目前国内所引进的14条预应力钢丝生产线全为这30余家所拥有。据不完全统计，目前我国拥有预应力钢丝生产线274条，其中14条为引进线，其余为国产线。14条引进生产线年总生产能力约12万t，其主导产
品为低松弛光面钢丝和三面刻痕钢丝，规格为φ4．0-7．0mm，抗拉强度为1 470?1 860MPa，主要执行标准为GB／T5223?95和BS5896?80，产品主要应用领域为铁路、公路桥梁、压力管道、预应力厂房、楼所建筑、电杆等；国产低松弛螺旋肋钢丝生产线约60条，生产能力约45万t，其主导产品为低松弛螺旋肋钢丝，规格为φ4．8?9．0mm，强度级别为1 470-1 860MPa，执行标准为GB／T5223?95，主要应用领域为铁路用Ⅱ型、Ⅲ型轨枕和叉枕，较少量用于水泥管及屋面板筹；国产普通松弛预应力钢丝生产线200余条，生产能力约80万t，产品规格φ4．0?7．0nlm光面钢丝、两面刻痕钢丝和螺旋肋钢丝，强度级别为1 470-1 570 MPa，执行标准为GB／T5223?95，主要用来制造小型混凝土预制件，现大部分生产线处于停产、半停产状态：冷拉预应力钢丝因为消除预应力钢丝的中间产品，所以生产潜力较大，主要规格为φ4．0?6．0mm，强度级别为1470?l 740MPa，主要执行标准为CB／T5223?95和ASTM648一％，主要用来制作预应力混凝土输水管道、健身弹簧及小型混凝土预制件等。
    综上所述，目前我国预应力钢丝生产能力达145万t以上，而2000年预应力钢丝实际产量约为22万t(其中低松弛光面钢丝占10万t、低松弛螺旋肋钢丝和三面刻痕钢丝约占8万t，其余为普通松弛钢丝和冷拉钢丝)。预计2001年预应力钢丝实际产量可达24万t，主要品种为低松弛光面钢丝和螺旋肋钢丝，小部分为压力管道用冷拉钢丝，普通松弛钢丝数量会大幅度下降。
1。2预应力钢棒
    预应力钢棒起源于日本，80年代中期引入我国。由于当时国内生产设备自动化程度比较低、工序不连续，使得早期开发出的国产预应力钢棒产品的生产效率很低、成本较高、难以形成规模生产。“八五”期间，国内几家企业相继与科研院所一同研制出了自动化程度较高的连续化预应力钢棒生产线，但由于控制系统的协调性和设计本身对工序的满足性的欠缺而难以实现预期效果。“九五”期间，国内几家企业相继从国外引进了10条预应力钢棒生产线，加上新上马的和整修后的20余条国产线，一时间形成年产20余万t供大于求的严重局面，从而使预应力钢棒产品销售价格一路下滑，货款回收周期不断加长，使得许多企业处于停产或停停打打的局面。自1999年以来，由于南方沿海一带经济建设的加速，建筑业迅猛发展，一下使预应力钢棒的市场活跃起来，使得原停产半停产的生产线重新被启动，严重供大于求的市场局面得到了缓解。2000年预应力钢棒的实际产量为10万t，2001年有望达到13万，但从目前供需情况看，预计在今后一个较长时期内仍会处于买方市场。
    预应力钢棒属中碳合金、调质热处理、低松弛预应力产品，产品规格为67．1?13．0侧，主要强度级别为1 420MPa，执行标准为YB／T1U一97和JISC3109---94，主要应用领域为预应力混凝土管桩，产品主要特点为墩头和焊接性能好、外型为沿轴线方向均匀布有3?6条连续的螺旋型沟漕，这种外型基本等同于现轨枕用螺旋肋钢丝。
1．3 预应力钢绞线
    我国预应力钢绞线的生产起源于20世纪印年代，直到Ⅲ世纪80年代中期产品仍只为普通松弛级别，主要规格为1X 7--015．01mm，强度级别为1 470--1 570MPa,属低档产品，生产能力只有1万t，生产企业只有一家，即现在的天津预一，直到20世纪80年代后期，国内才陆续出现了新的生产企业。在国家“七五”、“八五”、“九五”期间国内有十几家企业相继引进了19条低松弛预应力钢绞线生产线，目前已形成实际生产能力达45万t以上的规模(主要针对1X 7?φ15．24mm钢绞线)，品种有标准型和模拔型两种，主要规格为1X7-φ12.7mm、1X7--φ15.2mm、1X7-φ15．24mm、1X7--φ15.7mm等，强度级别为1 570-1 860MPa，主要执行标准为GB／T5224?95、ASTM／A416／A416M一96、BS5896?80，主要应用领域为铁路、公路、跨江、跨海桥梁，大型建筑，水利、能源和岩土锚固等工程。
    1998年我国低松弛预应力钢绞线的实际产量为25万[，1999年为30万t，2000年为35万t，预计2001年可达40万t。由于国内预应力钢材应用领域产品结构上的调整和国家经济建设的不断加快，国内低松弛预应力钢绞线的市场容量基本呈每年5万t的递增趋势，国内19条引进生产线基本做到了尽产尽销，因此引起了国内金属制品生产企业的普遍关注。据不完全统计，目前已有9家企业准备引进10条低松弛预应力钢绞线，新增能力可达25万t以上，基本都
在年末前后投入使用，预计今后几年国内低松弛预应力钢绞线市场将形成供大于求的局面。

2 我国预应力钢丝、钢棒、钢绞线的质量现状和适用水平

    我国预应力钢丝、钢棒、钢绞线生产线绝大部分为引进设备，生产工艺及技术水平比较高。因此，上工序的线材质量和企业自身的管理质量对其的影响越来越大。我国线材生产企业通过近十年的技术引进和技术改造，不论从冶炼技术、浇铸技术还是从轧制控冷技术等诸方面均有了质的飞跃，检测手段越来越齐全，线材质量越来越好。表1给出了近一个时期国
产线材与国外线材的有害成分及力学性能的对比。
    从表1可以看出，以上海宝钢为首的国产线材，其钢质纯净度和力学性能基本与国外优质线材接近。 
    在管理方面，我国预应力钢材重点生产企业基本都依据国际标准建立了质量管理体系，因此面向顾客的生产、开发、经营销售等一系列活动均有了质量管理上的保证。
    在工程应用方面，国产预应力钢材的应用领域已从铁路、公路拓展为建筑、水利、能源及岩土锚固等工程领域。典型工程有同济大学图书馆、上海电视塔、北京西客站、世博园展馆、沈大高速公路、郑州黄河大桥、虎门大桥、江阴大桥、三峡水利工程、黄河小浪底水利工程、秦山核反应站二期工程等。国产预应力钢材在上述预应力混凝土工程施工中均作为主筋约承受其公称抗拉强度的70％上的载荷。
    在国家重点工程??三峡水利工程1 670?1860MPa强度级、1X7?φ15．24mm低松弛预应力钢绞线国际招标中，天津第一预应力钢丝有限公司和新华金属制品有限公司一同击败了国外强手，双双中标；在国家重点工程??黄河小浪底水利工程用“1X7?φ15．7mm、1 860MPa级低松弛无粘接预应力钢绞线国际招标中由天津预一独家中标；在首次采用国产预应力钢材的中国核电工程一秦山核电二期工程用1X7?φ15．7mm，1 770MPa级低松弛预应力钢绞线招标中由天津预一中标；上海申佳和江阴华新钢缆有限公司生产的低松弛镀锌预应力钢丝及钢绞线替代进口产品用在虎门大桥和江阴大桥等重点工程上。
    截止到目前，我国预应力钢材的品种、规格、档次及实物质量水平经国家建筑钢材检测中心及国家商检局测试确认完全达到了国际先进水平，已跻身于国际先进行列。

3我国预应力钢材生产与应用现存的一些问题

3，1 钢材的强度、硬度与锚夹片之间的匹配问题
    据业内有关专家讲，锚夹片与钢材的表面硬度大约相差HRCl5较为合理，如目前使用较多的抗拉强度为1 860-1 990MPa的钢绞线其表面硬度约为HRCA4～48，与之匹配的锚夹片硬度约为HRC58-64。但目前有些生产企业提供的1 860MPa级钢绞线的实际抗拉强度值有超过2000MPa的，当抗拉强度大于2000MPa其表面硬度大约为HRC52-55，因与锚夹片达不到最佳配合而易产生滑丝，为此有专家提出1 860MPa级的钢绞线实际强度上限不能超出1 950MPa。
    针对上述问题，站在使用者的角度上讲，生产企业应千方百计满足使用者的要求，这是义不容辞的，但从客观上讲，要求以过小的强度级供差货确有困难。对于较大规模的生产企业其品种、规格是多元的，所用线材的品种、规格及产地也是多向的，各线
材生产企业由于生产装备、生产技术、生产管理等方面的不同，即使同一钢种、同一规格的线材各厂家的平均原始强度也相差较大(大约相差50?100MPa)，同一厂家、同一钢种、同一规格、不同炉号的线材其平均原始抗拉强度有时相差40?60MPa，即使为同一炉号、同一规格的线材其原始抗拉强度有时也相差30?70MPa，这些是造成预应力钢材强度离散的主要原因。因此，对于某一强度级别的预应力钢材实际强度极差要求过小确实存有问题。
    综观国外标准，有些同国标一样，未有专门条款对同一强度级别钢材的强度离散程度作出规定，但BS5896--80中规定，预应力钢丝、预应力钢绞线抗拉强度的标准偏差不得大于55MPa，1％总伸长下应力的标准偏差不得大于60MPa，如假设一供货批中钢材的强度呈正态分布，取工程能力指数为1以上，标准偏差取55MPa，那么本供货批中钢材的强度极差会在330MPa以上；ASTM648 95预应力混凝土管道用冷拉钢丝标准中对每一强度级别的钢丝均给出了最大、最小力值规定，将其折合成抗拉强度其极差值为200MPa，看来某些国外标准即使是已被人们公认为比较科学的BS5896标准，对同一强度级别的强度允许极差值也并不小，这足以说明要生产企业将强度控制在极小的波动范围内确有一些客观上的难度。当然，顾客的要求应千方百计满足，但在此也呼吁设计单位和施工单位对锚夹片生产企业提出更适宜的要求，以促进锚夹片生产企业积极研究，并生产出适应性更强的张拉锚夹具。
3．2 直径负偏差问题
    目前有些预应力钢材采购方为了节省工程用钢材、降低工程成本，要求供方提供负偏差产品，即实际尺寸小于公称尺寸但不超下偏差。一时间负偏差产品成为了市场竞争的一大砝码，因此许多企业纷纷生产负偏差产品。殊不知，这种需求和竞争导致的是工程安全系数的降低。
    在《混凝土结构设计规范》的预应力混凝土结构构件计算要求中规定，预应力钢筋张拉控制应力极限值为0．75fptk(fptk曰预应力钢筋强度标准值，此时对应的为钢筋公称直径)。如钢筋的实际直径为负偏差，此时因钢筋的实际受力面积小于公称面积而使其承受大于计算应力值的应力，也就是说负偏差钢筋在混凝土构件中，单位面积所承受的载荷要大于公称尺寸下钢筋单位面积所承受的载荷，更大于正偏差下钢筋单位面积所承受的载荷，因此负偏差钢筋在混凝土构件中是处于较高应力状态下工作，从而削弱了钢筋对应力松弛和应力腐蚀的抵抗能力，降低了工程的安全性。在国外(如美国)，其标准ASTMA416／A416M?96中规定钢绞线的直径上偏差为+0.65mm、下偏差为?0.15mm，从而可以看出实际尺寸追求的是上偏差。因此，为了工程的安全，在此呼吁各预应力钢材生产企业、预应力混凝土工程设计单位和施工单位抓紧与采购方沟通，纠正“负偏差”现象，不要为了因选用“负偏差”节约的那一点钢材所带来的利益而为工程种下隐患。
3．3 预应力钢材伸长率测定状态问题
    预应力钢材伸长率指标的测定状态，各国标准有所不同，美标ASTMA416／416M~96预应力混凝土用无涂层钢绞线标准和ASTMA421?91预应力混凝土用钢丝标准中均规定测定拉伸实验中，在规定标距内拉伸载荷下的伸长率；英标BS5896~80预应力混凝土用钢丝、钢绞线标准中规定测量钢丝、钢绞线最大力下的伸长率；国标GB／T5223~95中规定按GB／T228?87金属拉伸实验方法中的规定测定，该规定中即有最大力下的总伸长率的测量方法也有断后伸长率测量的方法，事实上在执行GB／T5223?95标准时，国内各企业几乎全测定断后伸长率；国标GB／T5224~95中规定测量钢绞线断时的总伸长率也即ASTMA416／A416M~96中规定测量的拉伸载荷下的总伸长率。
    设计与研究单位的有关专家讲，将预应力钢丝、钢绞线伸长率的测量状态定为最大力下最为科学并呼吁将其纳入国标。正象专家们讲得那样，测定断后伸长率有如下几点不足：
    (1)不同原始标距其断后伸长率是不同的，因此无可比性。
    (2)测量区域为颈缩断口区，且只为残余伸长率，而非拉伸时的均匀伸长率(最大力下的总伸长率)，因此对设计和使用无直观上的指导性，即实用性差。
    (3)因为手持式测量，因此误差较大。
    综上所述，笔者认为，目前国内外诸多标准应属
BS5896----80更为科学，尽管ASTMA416／A416MN96、ASTMA421?91和GB／T5224?95中也规定了测量载荷下(断时)伸长率，但其毕竟含有颈缩部分的伸长，而颈缩在设计中是绝对不允许出现的，因此对设计来讲指导性也不是很强。
    纵观国内诸多预应力钢材生产企业和使用单位目前所拥有的检试验装备，只有为数不多的企业和单位具有测定最大力下伸长率的条件，因此如果在今后GB／T5223、GB／T5224修订时规定测定最大力下的伸长率，那么就会有众多的企业和单位因不具备相应的测试设备而无法测定，为此特提出以引起各生产企业和使用单位的关注，并可朝前地做一些必要的准备工作。
3．4 低松弛预应力钢丝在使用现场因再矫直处理所引发的问题
    目前，在许多预应力钢丝使用单位施工现场，在裁剪预应力钢丝前都加一道矫直处理工序，即将准备定尺裁剪的预应力钢丝的头部穿人矫直器，由高速旋转的梭子将钢丝矫直后通过夹送辊前送至定尺后被剪裁，如此循环而完成钢丝的定尺裁剪工作。
    针对使用单位定尺裁剪前矫直处理这一附加工序，对低松弛预应力钢丝再进行矫直处理前后的力学性能进行了对比实验，结果发现钢丝的抗拉强度、弯曲性能和伸长率变化不大，但松弛性能变化非常大，不同品种、规格钢丝不同状态下的几组松弛对比试验统计数据已列入表2。

表2  矫直处理前后松弛率（0.7бb, 20±2℃） %

    从表2中可以看出，由于增加了矫直处理工序后，螺旋肋钢丝10h松弛率与100h松弛率都将增加250％以上、1000h松弛率(推算值)将增加230％以上。
    松弛性能是预应力钢材非常重要的一个力学指标，它直接影响着预应力混凝土构件的使用寿命，一旦钢材的松弛性能达不到设计要求，则势必导致混凝土构件在使用中过早开裂，同时也是构件疲劳试验不过关的一个重要影响因素。为此解决低松弛预应力钢丝在使用现场再进行矫直处理这一事项是使用单位和生产企业的当务之急。一方面，生产企业应生产出伸直性能好的低松弛预应力钢丝，以确保使用单位定尺裁剪前对钢丝伸直性的要求；另一方
面，使用单位应抓紧改造钢丝定尺裁剪设备，取消矫直工序。

4 我国预应力钢材的发展趋势
    随着预应力混凝土工程设计和施工技术的不断完善与提高，在预应力混凝土结构工程中对预应力其材的性能及其适用性要求越来越高，低松弛、防腐蚀、高强度、粗规格及规律变形钢丝已成为预应力钢材的发展趋势。
4．1 低松弛
低松弛预应力钢材以其产品技术附加值高、在工程使用中较?普通松弛预应力钢材节约12．4％左右钢材、提高预应力混凝土构件的使用寿命及安全性等优点，使其在预应力钢材中所占比例越来越大，普通松弛预应力钢材有完全被取代的趋势。
    据不完全统计，在国内预应力钢材生产总量中，普通松弛预应力钢材所占比例已从1999年的32％降至2000年的6．3％，预计2001年只为3％。因此，现已有专家建议在GB／T5223---95和GB／T5224-95修订时取消普通松弛级别，只保留低松弛预应力钢丝、钢绞线及冷拉钢丝。在此需指出的是，冷拉钢丝虽属普通松弛范畴，但因其具有消除应力钢丝无法替代的性能(如缠绕性能等)，所以在一些特殊工程施工中仍有自己的空间。
4．2 防腐性
    预应力钢材的腐蚀是预应力钢材先期失效的一个重要因素。据有关资料介绍，在美国因钢材腐蚀曾造成700亿美元的损失，洲际公路56万座桥，曾有9万座腐蚀严重，损失率达16％。在国内，因预应力混凝土结构用钢材腐蚀而发生各种事故也时有报道。因此预应力钢材的防腐性越来越被人们所重视。
预应力钢材的腐蚀来自两方面，一是钢材本身，二是钢材外部防护条件。从钢材自身看，如预应力钢材自身内部已先行形成了裂纹或钢丝表面有拉拔缺陷，那么钢材在应力作用下便形成了应力集中，如钢材周围存有腐蚀介质即可产生应力腐蚀，从而导致裂纹迅速扩张，因此生产企业必须重视预应力钢材用料的纯净度和金相组织结构，严格控制钢材表面缺陷，从而提高自身抗腐蚀能力。从预应力钢材外部防腐条件看，目前国内应用较多的有两种方式，一是镀锌，二是无粘接处理。镀锌预应力钢丝、钢绞线?‘般用来制作预应力斜拉桥和悬索桥的拉索、主缆及吊索，因镀锌预应力钢材不能与水泥沙浆直接接触等原因而影响了它的应用空间。无粘接处理预应力钢材是指将具有良好表面质量的预应力钢丝束或钢绞线，通过挤塑机使其外包一层高密度的聚乙烯或聚丙烯，并同时在钢丝束或钢绞线与塑护套之间填充防腐润滑脂，使其在对钢筋起到防护作用的同时，保证在后张拉法施工中钢筋能在与混凝土直接接触的塑料护套内位移方便。 ‘
    无粘接预应力钢筋由于张拉锚固端必须清除塑料护套和润滑脂，当其被张拉锚固后，再用水泥沙浆将其密封。因此，张拉锚固端仍会因水泥沙浆中所存有氯化物、硫化物或其他有害杂质以及环境中的某些有害介质，而遭到裸面钢筋同样的腐蚀命运。因此说，一种即能防腐又能与裸面钢筋联体使用而不影响钢筋性能的防腐涂层材料一环氧树脂已成为时代的需求。
    目前，环氧涂层预应力钢材在国外(特别是在美国)已广为应用，但在中国，尽管现已有生产厂家，但该产品并不显为人知。据有关资料介绍，在盐雾中裸面钢丝、钢绞线在400h后出现锈斑；镀锌钢丝、钢绞线在1 000，h后有腐蚀的痕迹；环氧涂层、钢绞线经2000h后仍未发现锈斑；另外，环氧涂层预应力钢材可与母材同时承受弯曲变形而不发生龟裂、膨胀和剥落现象，冲击性能好。从发展趋势看，环氧涂层将成为预应力钢材防腐的一大途径。
4．3 高强度和粗规格化
    从强度级别看，预应力钢材市场需求最高强度级已从20世纪80年代的1 670MPa级发展为90年代的1 770MPa级及现在的1 860MPa级，今后发展趋势将为2000MPa级。从规格尺寸看，预应力钢丝的最大规格已从20世纪80年代的φ5．0m发展到90年代的φ7．0mm及现在的φ9．0mm，今后的发展趋势将为φ9．0mm以上；预应力钢绞线的最大规格已从20世纪80年代的1X7--φ15．0llml发展为90年代的1X7--15．7m，今后的发展趋势将为1X7-φ15．7mm以上的规格，目前已有业内专家提出对1 X19一(φ22-28mm)，1 860MPa级低松弛预应力钢绞线的需求。
    预应力钢材的粗规格、高强度虽已成为今后发展趋势，但就其生产来讲，线材厂能否生产出更高规格(如φ14．0mm或以上规格)的索氏体化程度高、金相组织缺陷少的高质量线材；生产企业的工装设备能否不断满足工序要求是实现预应力钢材粗规格、高强度化的两大重要环节。
4．4 钢丝规律变形化
    预应力混凝土用钢丝是我国预应力钢材中诞生最早的一个品种，一般用于先张法预应力混凝土施工，由于预应力钢绞线应用领域的不断拓展，钢丝与绞线的比例从1991年的l：0．2逐年降低，近几年基本稳定在1：3的比例上，随着建筑业的发展这种比例还会有所降低。 
    早期的预应力钢丝有光面钢丝和两面刻痕钢丝，后来产生了三面刻痕钢丝。最近几年，新诞生的预应力螺旋肋钢丝靠其连续的螺旋槽外型，在先张法预应力混凝土施工中产生了其它钢丝(如光面钢丝和刻痕钢丝)无法比拟的良好的锚固效果。因此在轨枕业，螺旋肋钢丝几乎全部替代了光面钢丝、刻痕钢丝和调质热处理钢筋，并正在逐渐向其它区域延伸。从发展趋势看，规律变形钢丝特别是螺旋肋钢丝将成为钢丝类产品中的主导发展产品。
5 结论
    预应力混凝土用钢材的品种、规格和档次更新越来越快，这是国际、国内预应力混凝土结构工程设计与施工不断发展进步的一大标志。高档次的预应力混凝土工程离不开高档次的预应力钢材、高档次的锚夹具及专用施工用具，更离不开高档次的混凝土等其它辅助材料；高档次的预应力钢材离不开高档次的线材、高档次的工装和高水平的生产工艺技术。因此，只有线材生产企业、预应力钢材生产企业、锚夹具生产企业、混凝土原料及其它辅料生产企
业协同发展进步，不断适应发展的需要，才会真正使我国的预应力事业不断步入新高，并与时代同行。