1000kN预应力钢筋偏斜拉伸试验机的设计

曾 伟 董晓宇

（北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京100029）

随着我国国民经济的快速发展，特别是对外出口以及国内基础设施建设规模扩大，包括铁路及公路桥梁，工程大口径输水管道及污水处理设备，房屋建筑等工程中已广泛采用预应力混凝土结构，极大地促进了我国预应力钢材的生产和应用。预应力钢材是终身处于高应力状态下材料，使用工况复杂，为保证工程结构的安全，将破断力与轴向拉伸体试验测得的最大力进行比较，是钢绞线重要的力学指标之一。ISO 组织于2000 年制定了试验方法（ISO15630－3：2000）。我国也已将偏斜拉伸性能评定作为技术要求列入预应力钢材的产品标准中，并于2008年制定了国家标准GB／T 21839－2008。一些大型桥梁工程在预应力钢材招标中，甚至规定了严于产品标准的偏斜拉伸性能要求。这都必将促进高强预应力钢材偏斜拉伸试验设备的需求。因此，该试验设备的研制，在预应力钢材生产、贸易、使用、质量检测等领域有较为广阔的市场。

该试验机是测定大规格预应力钢绞线承受偏斜拉伸载荷能力的专用测试设备，主要适用于大规格（直径φ17.8、φ22.8、φ28.6）预应力钢绞线偏斜拉伸性能的测试。测试时被测钢绞线试样绕过规定直径的弯芯，使之偏斜20°角时进行拉伸，直到至少一根组成钢丝破断，将其破断力与轴向拉伸试验测得的最大力进行比较的实验设备，符合国标GB／T 21839－2008要求，可以迅速准确地评定试样偏斜拉伸性能，保证工程结构安全。

偏斜拉伸试验原理是用5根钢绞线试样，来确定最大力的偏斜系数。试样固定在与芯轴成20°角的偏斜装置上进行轴向拉伸试验。

1 设计原则

满足国标GB／T 21839－2008规定，试验机应具有足够刚度的刚性机架，以满足本标准规定的试验要求；最大可靠拉力为1000kN；运行稳定，具有自动加荷，自动记录功能。

2 机构组成

试验机由承载力装置、锚固装置、加荷装置和控制装置组成，如图1所示。

2.1 承载力装置

2.1.1 尺寸

试验机承载力装置的尺寸应符合图2和如下规定。

L1（1000±50）mm；L2≥750mm；α：20°±0.5°

芯轴轴线应垂直于活动锚具、固定锚具和芯轴中心组成的平面。

图1 偏斜拉伸试验机总装图

图2偏斜拉伸原理图

2.1.2 承载箱体设计

承载箱体是由特殊设计的几何形状，满足试验承载需求的焊接加工件制成，要求箱体两端的定位口对中性能好，同时要保证在加载测试时钢绞线中心线与定位基面之间的垂直度。

2.1.3 芯轴设计

弯芯是偏斜拉伸试验的关键部件（见图3），本机设计配备三种规格的弯芯，以满足不同规格钢绞线的测试需要。芯轴材料为工具钢制造。其化学成份、显微组织及热处理应使其具有高韧性和高耐磨性能。

图3 芯轴外形尺寸图

根据ISO 6508－1 标准测定的表面硬度应达到58～62HRC。

新加工的芯轴凹槽表面，根据ISO4287规定的表面粗糙度Ra，最大值为1.6μm。芯轴尺寸（见图3）在表1 中给出。

表1 芯轴尺寸

芯轴应刚性固定不能有任何旋转和移动。

2.2 锚固装置

试样两端轴向中心线应垂直于锚固夹头的轴承平面，不正确的设计尺寸和定位会出现错误的试验结果。

锚固夹头应满足下列要求：

1）用这组夹具进行轴向拉伸试验时应达到按常规拉伸试验最大力的95%以上。

2）偏斜拉伸试验中，在90%最大力Fm时中心钢丝与外层钢丝的相对位移量应小于0.5mm。

3）夹片与锚具夹胎之间的位移应小于表1 中给出的值。

4）在试验过程中楔形夹片与锚具夹胎之间应该是扣紧的，无任何活动。

5）夹片的最小齿长为钢绞线直径的2.5至3倍。

表2 夹片的位移量

2.3 加荷装置

加荷设备带有测力传感器，按照ISO 7500－1标准校正，力值读数大于满量程的10%时精度等级应至少为±1%。

加荷速度可调节，试验期间应控制加荷速度，当负荷上升到预计破断负荷的50%时，加荷速度应控制在30～60MPa／s，并保持到试样断裂。

加载系统设计为由穿心式千斤顶、高压泵站、操作控制阀块、比例控制阀等部件组成试验机的动力系统。

1）穿心式千斤顶

表3 穿心式千斤顶技术参数

2）高压泵站

表4 高压泵站技术性能参数

2.4 控制装置

本系统主要由检测系统、液压控制系统、计算机监控系统构成，检测系统实现试验数据采集，液压系统实现系统的调速、驱动、加减载功能，计算机监控系统实现试验的数据显示和数据分析记录功能。

2.4.1 检测系统

检测系统主要包括高精度传感器，标准变送器、标准输入输出模块、模数转换模块等。传感器检测试样载荷经过变送器变成标准电压信号，由模拟量输入和转换模块传给计算机监控系统。控制系统简图如图4。

图4 控制系统简图

2.4.2 液压控制系统

液压系统主要包括泵站、比例溢流阀、电磁换向阀等。

通过比例溢流阀控制油管开口度，实现控制加载速度的目的，通过电磁换向阀控制油缸伸缩方向。

比例控制阀是本机的关键控制元件，是实现加荷速度控制的执行元件，比例溢流阀的溢流量由计算机程序根据力值的大小和被测试钢绞线的规格计算后输出的，可有效地控制试验过程中的载荷增加速度，很好地满足了偏斜拉伸试验方法的要求。

2.4.3 计算机监控系统

计算机监控系统通过分析检测到的数据，根据试验的目标载荷、加载时间等参数进行计算，对加载速度进行自动调节，实现了整个系统闭环控制。当系统监测到试样载荷陡降10%以上时，判断为式样断裂，立即停止实验并记录破断力值及其他参数。本系统还具有标定、打印、读取、保存等功能，能够满足试验要求。监控系统画面如图5所示。

图5 监视系统画面图

2.5 技术指标

表5 主要技术性能指标

3 结论

XL－1000型偏斜拉伸试验机具有操作方便、结构简单、测量精度高、易于维护等特点。可以满足钢绞线生产厂家及质量检验、监督机构等相关部门对钢绞线偏斜拉伸性能的测试需求，全面符合国标GB／T 21839－2008 要求，并投入实际运行，工作正常。XL－1000型偏斜拉神试验机很好的满足了大规格钢绞线的偏斜拉伸试验要求，随着国内大规格绞线需求的增加，XL－1000型偏斜拉神试验机的应用前景将更加广阔。

［1］朱建国，张莹等.钢筋混凝土及预应力混凝土用钢试验方法.国标GB／T 21839－2008.中国标准出版社，2008

［2］段建华.预应力钢绞线松弛试验方法标准的探讨.金属制品，2010，Vol.36（1）.

［3］毛爱菊，刘立军等.预应力钢材拉伸试验方法.施工技术，2004，Vol.33（7）.

［4］崔保健，李国新等.精密液压压力自动发生系统的设计.液压与气动，2005（9）.