冷軋帶肋鋼筋應力松弛試驗機的研制

莫 玲，陳光明，王志虎，張韶輝，母宇淵，張 竹，彭建兵

（1.國家日用金屬制品質量監督檢驗中心（成都），四川 成都 610031；2.深圳高品檢測設備有限公司，廣東 深圳 518112）

0 引 言

冷軋帶肋鋼筋作為一種高效鋼材，具有強度高、塑性好、與砼的錨固性好等特點。大量試驗表明，鋼筋在高應力（高于松弛下限）作用下會產生流變，應力將隨時間而衰減，即出現應力松弛現象。國內外有關預應力混凝土結構設計規范中，都對預應力鋼筋的應力松弛值給出了具體規定[1-3]。該應力松弛試驗機在充分考慮承力結構剛度、加載裝置及樣品夾持狀況、斷電或停電等非正常工作因素對測試結果的影響，滿足現行標準和實際工作中的需要。

1 設備結構及輔助軟件

1.1 設備結構

該應力松弛試驗機使用0.5級試驗機，變形檢測控制采用GSI MercuryⅡTM1600高精度、高分辨率光柵尺傳感器。結合現行標準及預應力鋼材應力松弛試驗檢測發展需要，具有以下特點：

（1）保證負荷誤差；

（2）保證試驗時試樣長度恒定；

（3）試驗中數據實時采集；

（4）通過計算機數據分析，建立回歸曲線；

（5）防止樣品滑移的三爪式夾具；

（6）通過更換夾具可對多種產品（預應力鋼絲、鋼棒、鋼絞線等）進行松弛試驗。

試驗機結構示意圖見圖1。

圖1 試驗機結構示意圖

1.2 試驗控制及工作原理

試樣由兩端三爪式夾具夾持，通過高精度伺服電機驅動齒輪減速機，同步帶輪傳動使高精度滾珠絲桿帶動兩端三爪式夾具往復運動，使試樣受力拉伸。在施力過程中通過光柵尺結合伺服系統對試樣的變形及試驗力進行實時測量和微控，并適時采集試驗數據，直至按標準要求完成試驗。

微機控制伺服系統中，負荷放大器、光碼器、伺服控制信號由傳感器傳送，由采樣器將信號轉化為數字信號，實現數據采集、數據顯示和人機對話。下位機可傳送控制參數、數據處理、曲線繪制參數等，實現數字閉環伺服控制、接收命令向上位移傳送控制數據等。電腦控制伺服系統原理圖見圖2。

圖2 電腦控制伺服系統原理圖

1.3 輔助軟件

在軟件方面，采用MaxTest標準化模塊，該軟件通過安插于PC機的PCI插槽中的數據處理芯片與力值、變形、位移傳感器連接，對整個測試過程進行應力閉環、變形閉環、位移閉環的自動控制。同時該軟件結合檢測設備，采用變頻方式對試樣在試驗過程中的各項數據進行適時采集。具體為：試驗的前300 s按10點/s記錄，300 s至試驗結束按1點/20 s記錄。這樣既保證了曲線的真實完整，又減小了曲線記錄的容量。

通過輔助軟件的程序設定，在試樣裝夾完成后，只需按“程控”便可按照標準程序進行試驗。若其他產品試樣需設置不同的操作步驟，只需按“編輯”便可自由設置需要的程序或操作步驟，使用方便快捷。

1.3.1 工作原理

在室溫下，對試樣施加試驗力，保持初始應變、變形或位移恒定，測定應力隨時間變化的關系[4]。控制系統有多個可同時工作的并行通道，每個獨立通道包括：負荷傳感器前置放大器、位移傳感器信號處理、傳感器供橋電路、濾波/陷波電路、自動調零電路、自動分檔電路、高速高精A/D轉換數據采集系統、誤差比較電路、PID調節器、控制通道切換電路、邏輯控制單元等。數據采集系統由高精度A/D轉換器、多路采樣保持電路構成。多路采樣保持電路構成圖見圖3。

圖3 多路采樣保持電路構成圖

1.3.2 試驗數據的采集過程

（1）預采樣濾波器為滿足采樣定理的要求而濾除高頻干擾；

（2）采樣器按預定的時間間隔將模擬信號離散化，再把離散子樣進行量化與編碼變成數字信號；

（3）計算機對數字進行處理；

（4）處理結果由數模轉換器轉換成模擬量；

（5）經平滑濾波器將模擬信號輸出。

試驗時，指令信號進入放大器，控制伺服驅動器，使電機運動，拉伸試樣。力傳感器（或位移傳感器）測出負載力（或位移），將信號反饋給放大器和指令信號比較，形成閉環回路，實現系統控制（見圖4）。反饋信號和給定信號相比較，得到誤差信號，經過PID調節器輸出，經功率放大器放大后驅動激振器。

圖4 閉環控制圖

1.4 試驗數據處理

（1）達到規定試驗時間的松弛率R按下式計算[5]

式中：F0——初始試驗力；

Fr——剩余試驗力。

（2）為了比較材料的相對松弛率，可繪制松弛率與對數時間的關系曲線。松弛率-對數時間曲線見圖5。

圖5 松弛率-對數時間曲線圖

（3）可繪制剩余試驗力與時間（或對數時間）關系曲線、松弛力與時間（或對數時間）關系曲線。

（4）采用實驗數據的線性回歸，推算1 000 h的應力松弛性能。

2 設備的技術特點

2.1 完善的負荷精度控制

（1）設備采用了高精度傳感器結合伺服系統控制齒輪減速機加載方式，減少試驗力施加過程中力值的波動，施力平穩均勻。

（2）試樣的夾持上也充分考慮冷軋帶肋鋼筋樣品外形的不規則性，采用三爪夾具三面夾持，斜面收緊的方式，有效防止試樣打滑對加載過程精度的影響。三爪夾具結構示意圖見圖6，夾具剖面示意圖見圖7。

圖6 夾具結構示意圖

圖7 夾具剖面示意圖

2.2 有效的同軸度控制設計

2.2.1 設備結構設計

為防止長時間試驗導致結構剛度不足對試驗產生影響[6]，試驗機采用四橫梁、短行程的機架設計方式。試驗機機架圖見圖8。

圖8 試驗機機架圖

2.2.2 試樣裝夾

為避免樣品外形不規則導致裝夾后軸線偏離，試驗機設計成穿孔式裝夾方式。試樣夾具座示意圖見圖9，標距夾頭結構示意圖見圖10。

2.2.3 結構力學

三爪夾具往復運動時，由于加載過程中的微小沖擊或振動可能引起試驗機的微量變形，產生同軸度偏差，從而使試驗過程中位移形變控制出現偏離，因此該試驗機在設計上充分考慮了承載能力。從圖1可以看出，在試驗過程中，主要的受力部件由機座、橫梁和橫梁支板及夾持工裝4個部分組成。試驗機剛度用橫梁和橫梁支板的承載能力和變形量加以衡量。

圖9 試樣夾具座示意圖

圖10 標距夾頭結構示意圖

根據表1、表2的測試結果可以看出，試驗機的結構能充分保證其剛度。

表1 橫梁和橫梁支板承載能力1）

表2 不同載荷下橫梁和橫梁支板的變形量1）

2.3 精確的應變控制配置

該試驗機采用分辨率為0.5 μm的進口反射式光柵尺，可以有效保證光柵尺移動方向與試樣受力方向平行。在試驗過程中，采用量規對試樣標定長度進行實時測量，同時將數據處理分析，再結合伺服系統對試驗力進行微控，確保試驗期間試樣的應變波動控制在GB/T 10120《金屬應力松弛試驗方法》所規定的±5×10-6mm/mm以內。

2.4 試驗過程全閉環控制

該試驗機可以適時繪制松馳力和試驗時間的關系曲線，并能反映任一時刻的松弛力與試驗時間的關系。放大器放大后，驅動激振器，實現對試驗機力、位移、變形的三閉環控制。

2.5 安全保護措施

為防止意外斷電或停電導致試驗中斷，試驗機配置了UPS附加電源，以及相關安全防護罩等保護措施。

3 結束語

本次研制的電子式應力松弛試驗機，較目前國內現行的其他應力松弛試驗檢測設備，最大的創新點體現在：能滿足適時數據采集和控制，確保檢測結果的準確性；具有防止打滑的三爪夾具、精確的負荷控制和同軸度控制；通過線性回歸分析方法，建立回歸曲線，準確推算出試樣1000h松弛率值[7]，有效提高了檢測效率；同時配置了UPS電源，并在冷軋帶肋鋼筋松弛應力試驗機的基礎上拓展了檢測產品范圍，覆蓋了主要預應力建筑鋼材產品應力松弛試驗[8]的檢測。

[1]劉立軍.YJR-300 kN松弛試驗機的研制特點及應用[J].金屬制品，1999（1）：35-36.

[2]李久林.金屬應力松弛試驗方法國外標準述評[J].物理測試，1987（6）：61-66.

[3]于明琪，車延博，袁世強，等.METRO COM-TL型立式拉體應力松馳試驗機YX-1B自動測控系統[J].天津冶金，2001（2）：14-18.

[4]張強，王平，李正國，等.SC-200應力松弛試驗機研制[C]∥中國鋼鐵年會論文集（下卷），2001.

[5]GB/T 10120—1996金屬應力松弛試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1996.

[6]毛愛菊.預應力鋼材的松弛試驗[J].金屬制品，2010（5）：45-48.

[7]GB 13788—2008冷軋帶肋鋼筋[S].北京：中國標準出版社，2008.

[8]袁貞義，張立鴻，鮑建華，等.應力松弛試驗機的研制[J].工業建筑，2000（12）：38-41，50.