一种FRP松弛试验机及使用方法与流程

本发明涉及预应力材料性能测试，特别是涉及一种frp松弛试验机及使用方法。

背景技术：

1、纤维增强复合材料（frp）具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳和可设计性强等突出优势，近年来在大跨桥梁、空间结构、岩土锚固及海洋工程等领域已得到较为广泛的工程应用，预应力frp筋、索的应用范围和工程规模也在持续扩大。预应力能够充分发挥frp的高强度优势，但也使其在服役过程中长期处于较高应力状态，应力松弛引起的预应力损失将直接影响结构的长期受力性能和安全储备。因此，准确表征frp长期松弛性能并获得可靠的松弛参数，已成为预应力frp结构设计、服役寿命预测和长期安全评价中亟待解决的基础性问题。

2、然而，frp松弛测试装备的发展严重滞后于材料及工程应用的发展，适用于frp筋、索的成熟专用松弛试验机仍明显缺位。现有成熟松弛试验机主要针对钢丝、钢绞线和预应力钢棒设计，其夹持方式、加载空间及试件安装形式均围绕标准金属试件确定，难以直接适用于frp筋、索及其专用锚固体系。现有frp松弛研究通常需要对传统试验设备进行改造，或针对特定试件自行搭建加载装置，难以形成稳定、准确且具有通用性的测试条件。专用测试装备的缺失已成为制约frp松弛性能准确表征和可靠参数获取的突出短板。

3、现有测试技术主要存在以下问题：

4、（1）锚固适配性不足。传统钢绞线松弛试验机通常采用穿心式或夹持式结构，主要适用于12.7 mm、15.2 mm、17.8 mm等标准规格钢绞线。frp筋、索通常需要配置粘结型、挤压型或复合型等专用锚具，不同锚具的外径、长度及构造差异较大，现有设备的夹持空间和连接形式难以兼容多类型、多规格frp试件。

5、（2）长期测试精度和稳定性不足。frp松弛试验持续时间长，且松弛引起的荷载变化相对于初始荷载较小，对试验机整体刚度、加载同轴度、荷载测量精度及长期稳定性要求较高。采用自制钢框架或改装装置时，结构变形、加载偏心及锚固系统变形均可能混入松弛测试结果，难以实现frp材料自身松弛性能的准确表征。

6、（3）环境模拟能力不足。温度、湿度及腐蚀环境均可能影响frp的松弛性能。现有松弛设备通常难以在持续持荷状态下实现试件有效长度范围内均匀、稳定的环境控制，也难以满足高低温、湿热或腐蚀等环境条件下的松弛试验需求。同时，环境温度波动可能引起试验系统附加变形和荷载变化，进一步影响松弛测试精度。

7、（4）加载方式适应性不足。现有设备多针对固定规格试件和既定试验流程设计，加载及控制方式相对单一，难以满足不同frp材料、不同锚固形式以及不同试验方法下的加载需求。

8、因此，针对frp筋、索长期松弛性能测试专用装备严重不足的现状，亟需开发一种真正面向frp材料及其锚固体系的高精度、通用化松弛试验机。该设备应突破传统钢绞线松弛试验机在试件尺寸、锚具形式和加载空间等方面的限制，兼容多类型、多规格frp筋、索及其锚具，同时保证长期持荷条件下的加载同轴性、恒应变控制精度和测量稳定性，并具备复杂环境模拟及多种加载能力，从根本上解决现有设备难以对frp松弛性能进行准确、稳定和系统测试的问题，为frp长期性能参数获取、产品评价及预应力frp结构工程应用提供亟缺的试验装备支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种frp松弛试验机及使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够适配多类型多规格frp锚具，有效提高测试精度，有效提高试件全长受温的均匀性，并提供多种加载方式以满足不同的测试需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供了一种frp松弛试验机，包括：机架、环境箱、固定端装夹组件、张拉端装夹组件和加载机构，所述机架的顶部设置有试验工区；所述环境箱设置于所述试验工区，能够使frp试件的全长置于所述环境箱内，以为所述frp试件提供所需的温度环境；所述固定端装夹组件用于设置于所述环境箱内，且所述固定端装夹组件的一端伸出所述环境箱与所述机架固定连接，另一端设置有第一装夹部，所述第一装夹部能够使所述frp试件的一端侧向插入并形成轴向限位，以适配不同型号不同规格的frp锚具；所述张拉端装夹组件用于设置于所述环境箱内，所述张拉端装夹组件的一端与所述环境箱远离的所述固定端装夹组件的一端滑动连接，另一端设置有第二装夹部，所述第二装夹部能够使所述frp试件的另一端侧向插入并形成轴向限位，以适配不同型号不同规格的frp锚具；所述加载机构的固定端安装于所述机架靠近所述张拉端装夹组件的一端，且所述加载机构的输出端与所述张拉端装夹组件传动连接，且所述加载机构具有恒位移控制模式和恒应变控制模式，并在所述恒位移控制模式下，所述加载机构带动所述张拉端装夹组件移动目标位移后使所述张拉端装夹组件保持在目标位置，在所述恒应变控制模式下，所述加载机构能够实时采集frp试件的标距段的应变信号，并根据所述应变信号调整动力输出，使所述frp试件的标距段应变在试验过程中保持恒定。

4、优选的，所述第一装夹部设置有第一挂接槽和第一挂接接口，所述第二装夹部设置有第二挂接槽和第二挂接接口，所述第一挂接槽、所述第一挂接接口、所述第二挂接槽和所述第二挂接接口的开口均沿垂直于所述frp试件拉伸方向延伸，所述frp试件两端的锚固段的锚杯夹片分别用于挂置在第一挂接槽和第二挂接槽内，所述第一挂接接口和所述第二挂接接口用于使所述frp试件的锚固段穿过，且能够对所述锚杯夹片进行轴向限位。

5、优选的，所述环境箱包括保温箱体、制冷机组、制热机组和温度控制器，所述保温箱体内部形成沿水平方向延伸的工作室以及位于所述工作室上方的设备室，所述工作室的两端壁上分别开设有第一过孔和第二过孔，所述固定端装夹组件的安装端穿过所述第一过孔后与所述机架固定连接，所述张拉端装夹组件的安装端穿过所述第二过孔后与所述加载机构的输出端传动连接，所述制冷机组和所述制热机组设置于所述设备室内，且所述设备室与所述工作室连通，所述温度控制器与所述制冷机组、制热机组和循环风机电性连接，用于对所述工作室内的温度进行闭环控制。

6、优选的，还包括循环风机，所述工作室的顶部壁板的一端设置有送风口，另一端设置有回风口，所述设备室通过所述送风口和所述回风口与所述工作室连通，所述循环风机安装于设备室内靠近送风口的位置，能够驱动气流在设备室与工作室之间循环流动。

7、优选的，所述制冷机组为机械式蒸气压缩制冷系统，所述制热机组为电加热式加热器。

8、优选的，还包括第一安装板、第二安装板和多个连接杆，所述第一安装板和所述第二安装板分别固定连接于所述机架顶部的两端，并在所述第一安装板和所述第二安装板之间形成所述试验工区，各所述连接杆与所述frp试件的轴线方向平行设置，各所述连接杆的两端分别与所述第一安装板和所述第二安装板固定连接，所述工作室的两端壁上分别开设有与所述连接杆对应的第三过孔和第四过孔，所述连接杆密封穿过对应的所述第三过孔和所述第四过孔。

9、优选的，所述加载机构包括伺服电机、减速器、主动齿轮、从动齿轮、加载丝杠和丝杠螺母座，所述伺服电机和所述减速器安装于所述第一安装板上，所述丝杠螺母座转动安装于所述第一安装板上，且所述丝杠螺母座的外周安装有所述从动齿轮，所述伺服电机的输出轴与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴上安装有所述主动齿轮，所述主动齿轮和从动齿轮相互啮合传动，所述加载丝杠与所述丝杠螺母座螺纹配合，所述加载丝杠穿过所述第一安装板并与所述第一安装板滑动连接的同时形成周向限位，以限制所述加载丝杠周向转动，所述加载丝杠的另一端与所述张拉端装夹组件的安装端固定连接。

10、优选的，还包括控制器、高精度力传感器和引伸计，所述控制器分别与高精度力传感器、引伸计和加载机构的伺服电机电连接，所述高精度力传感器安装于加载丝杠与张拉端装夹组件之间，用于实时检测试验过程中frp试件承受的张拉荷载，并将检测信号传输给控制器；所述引伸计用于安装在所述frp试件表面，用于实时采集试件的变形数据并传输给控制器。

11、优选的，还包括位移独立校准系统，所述位移独立校准系统包括激光跟踪干涉仪和反光靶座，所述反光靶座固定安装在所述加载丝杠远离所述张拉端装夹组件的一端，所述激光跟踪干涉仪通过支架布置在所述机架第一安装板的外侧，与所述控制器电性连接，能够实时监测加载丝杠的实际位移并将监测数据传输给控制器。

12、本发明还提供了一种如上任一项所述的frp松弛试验机的使用方法，包括以下步骤：

13、将frp试件的全长置于环境箱内，并使所述frp试件的一端挂接固定于固定端装夹组件，所述frp试件的另一端挂接固定于张拉端装夹组件；

14、启动所述环境箱，为所述frp试件提供所需的温度环境；

15、启动加载机构，使所述加载机构驱动所述张拉端装夹组件沿远离所述固定端装夹组件的方向移动，对所述frp试件施加拉伸载荷；

16、选择所述加载机构的控制模式：

17、当选择恒位移控制模式时，所述加载机构带动所述张拉端装夹组件移动至目标位移后，使所述张拉端装夹组件保持在目标位置，以使所述frp试件的总位移保持恒定，记录持荷过程中试验力值随时间的变化数据；

18、当选择恒应变控制模式时，实时采集所述frp试件标距段的应变信号，所述加载机构根据所述应变信号调整动力输出，使所述frp试件的标距段应变在试验过程中保持恒定，记录持荷过程中试验力值随时间的变化数据；

19、根据记录的试验力值随时间的变化数据，计算所述frp试件的应力松弛率和/或松弛量。

20、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

21、本发明提供了一种frp松弛试验机及使用方法，通过将环境箱设置在试验工区，使frp试件能够全长置于环境箱内部，保证试件全长受温均匀，能够满足不同温度环境下的松弛性能测试需求；固定端装夹组件和张拉端装夹组件分别对frp试件两端进行可拆卸挂接固定，能够适配粘结型、挤压型、复合型等多类型多规格的frp锚具，解决了传统穿心式夹持方法适配性差的问题，同时装夹操作更为简便；同时加载机构具备恒位移控制和恒应变控制两种加载控制模式，能够满足不同测试标准和研究场景下的多样化测试需求，有效提升测试的适用性；

22、进一步的还设置了位移独立校准系统，能够实时监测加载丝杠的实际位移，对加载位置进行原位复核，进一步提升了测试精度。