1000kN預應力鋼筋偏斜拉伸試驗機的設計

曾 偉 董曉宇

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029）

隨著我國國民經濟的快速發展，特別是對外出口以及國內基礎設施建設規模擴大，包括鐵路及公路橋梁，工程大口徑輸水管道及污水處理設備，房屋建筑等工程中已廣泛采用預應力混凝土結構，極大地促進了我國預應力鋼材的生產和應用。預應力鋼材是終身處于高應力狀態下材料，使用工況復雜，為保證工程結構的安全，將破斷力與軸向拉伸體試驗測得的最大力進行比較，是鋼絞線重要的力學指標之一。ISO 組織于2000 年制定了試驗方法（ISO15630－3：2000）。我國也已將偏斜拉伸性能評定作為技術要求列入預應力鋼材的產品標準中，并于2008年制定了國家標準GB／T 21839－2008。一些大型橋梁工程在預應力鋼材招標中，甚至規定了嚴于產品標準的偏斜拉伸性能要求。這都必將促進高強預應力鋼材偏斜拉伸試驗設備的需求。因此，該試驗設備的研制，在預應力鋼材生產、貿易、使用、質量檢測等領域有較為廣闊的市場。

該試驗機是測定大規格預應力鋼絞線承受偏斜拉伸載荷能力的專用測試設備，主要適用于大規格（直徑φ17.8、φ22.8、φ28.6）預應力鋼絞線偏斜拉伸性能的測試。測試時被測鋼絞線試樣繞過規定直徑的彎芯，使之偏斜20°角時進行拉伸，直到至少一根組成鋼絲破斷，將其破斷力與軸向拉伸試驗測得的最大力進行比較的實驗設備，符合國標GB／T 21839－2008要求，可以迅速準確地評定試樣偏斜拉伸性能，保證工程結構安全。

偏斜拉伸試驗原理是用5根鋼絞線試樣，來確定最大力的偏斜系數。試樣固定在與芯軸成20°角的偏斜裝置上進行軸向拉伸試驗。

1 設計原則

滿足國標GB／T 21839－2008規定，試驗機應具有足夠剛度的剛性機架，以滿足本標準規定的試驗要求；最大可靠拉力為1000kN；運行穩定，具有自動加荷，自動記錄功能。

2 機構組成

試驗機由承載力裝置、錨固裝置、加荷裝置和控制裝置組成，如圖1所示。

2.1 承載力裝置

2.1.1 尺寸

試驗機承載力裝置的尺寸應符合圖2和如下規定。

L1（1000±50）mm；L2≥750mm；α：20°±0.5°

芯軸軸線應垂直于活動錨具、固定錨具和芯軸中心組成的平面。

圖1 偏斜拉伸試驗機總裝圖

圖2偏斜拉伸原理圖

2.1.2 承載箱體設計

承載箱體是由特殊設計的幾何形狀，滿足試驗承載需求的焊接加工件制成，要求箱體兩端的定位口對中性能好，同時要保證在加載測試時鋼絞線中心線與定位基面之間的垂直度。

2.1.3 芯軸設計

彎芯是偏斜拉伸試驗的關鍵部件（見圖3），本機設計配備三種規格的彎芯，以滿足不同規格鋼絞線的測試需要。芯軸材料為工具鋼制造。其化學成份、顯微組織及熱處理應使其具有高韌性和高耐磨性能。

圖3 芯軸外形尺寸圖

根據ISO 6508－1 標準測定的表面硬度應達到58～62HRC。

新加工的芯軸凹槽表面，根據ISO4287規定的表面粗糙度Ra，最大值為1.6μm。芯軸尺寸（見圖3）在表1 中給出。

表1 芯軸尺寸

芯軸應剛性固定不能有任何旋轉和移動。

2.2 錨固裝置

試樣兩端軸向中心線應垂直于錨固夾頭的軸承平面，不正確的設計尺寸和定位會出現錯誤的試驗結果。

錨固夾頭應滿足下列要求：

1）用這組夾具進行軸向拉伸試驗時應達到按常規拉伸試驗最大力的95%以上。

2）偏斜拉伸試驗中，在90%最大力Fm時中心鋼絲與外層鋼絲的相對位移量應小于0.5mm。

3）夾片與錨具夾胎之間的位移應小于表1 中給出的值。

4）在試驗過程中楔形夾片與錨具夾胎之間應該是扣緊的，無任何活動。

5）夾片的最小齒長為鋼絞線直徑的2.5至3倍。

表2 夾片的位移量

2.3 加荷裝置

加荷設備帶有測力傳感器，按照ISO 7500－1標準校正，力值讀數大于滿量程的10%時精度等級應至少為±1%。

加荷速度可調節，試驗期間應控制加荷速度，當負荷上升到預計破斷負荷的50%時，加荷速度應控制在30～60MPa／s，并保持到試樣斷裂。

加載系統設計為由穿心式千斤頂、高壓泵站、操作控制閥塊、比例控制閥等部件組成試驗機的動力系統。

1）穿心式千斤頂

表3 穿心式千斤頂技術參數

2）高壓泵站

表4 高壓泵站技術性能參數

2.4 控制裝置

本系統主要由檢測系統、液壓控制系統、計算機監控系統構成，檢測系統實現試驗數據采集，液壓系統實現系統的調速、驅動、加減載功能，計算機監控系統實現試驗的數據顯示和數據分析記錄功能。

2.4.1 檢測系統

檢測系統主要包括高精度傳感器，標準變送器、標準輸入輸出模塊、模數轉換模塊等。傳感器檢測試樣載荷經過變送器變成標準電壓信號，由模擬量輸入和轉換模塊傳給計算機監控系統。控制系統簡圖如圖4。

圖4 控制系統簡圖

2.4.2 液壓控制系統

液壓系統主要包括泵站、比例溢流閥、電磁換向閥等。

通過比例溢流閥控制油管開口度，實現控制加載速度的目的，通過電磁換向閥控制油缸伸縮方向。

比例控制閥是本機的關鍵控制元件，是實現加荷速度控制的執行元件，比例溢流閥的溢流量由計算機程序根據力值的大小和被測試鋼絞線的規格計算后輸出的，可有效地控制試驗過程中的載荷增加速度，很好地滿足了偏斜拉伸試驗方法的要求。

2.4.3 計算機監控系統

計算機監控系統通過分析檢測到的數據，根據試驗的目標載荷、加載時間等參數進行計算，對加載速度進行自動調節，實現了整個系統閉環控制。當系統監測到試樣載荷陡降10%以上時，判斷為式樣斷裂，立即停止實驗并記錄破斷力值及其他參數。本系統還具有標定、打印、讀取、保存等功能，能夠滿足試驗要求。監控系統畫面如圖5所示。

圖5 監視系統畫面圖

2.5 技術指標

表5 主要技術性能指標

3 結論

XL－1000型偏斜拉伸試驗機具有操作方便、結構簡單、測量精度高、易于維護等特點。可以滿足鋼絞線生產廠家及質量檢驗、監督機構等相關部門對鋼絞線偏斜拉伸性能的測試需求，全面符合國標GB／T 21839－2008 要求，并投入實際運行，工作正常。XL－1000型偏斜拉神試驗機很好的滿足了大規格鋼絞線的偏斜拉伸試驗要求，隨著國內大規格絞線需求的增加，XL－1000型偏斜拉神試驗機的應用前景將更加廣闊。

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