方形鍍鋅鋼管短柱壓縮吸能性能研究

李杰 張婧

(凱里學(xué)院建筑工程學(xué)院,貴州 凱里556011)

1 概述

鍍鋅鋼管在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用,例如在建筑行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、采礦業(yè)、化工行業(yè)、電力輸送行業(yè)、汽車行業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)、機(jī)械裝備行業(yè)均有重要應(yīng)用。

季順勇[1]提出使用鍍鋅鋼管代替水泥電線桿進(jìn)行桿路建設(shè),這為加快鄉(xiāng)村山區(qū)輸電系統(tǒng)改造升級提出了新思路；陳建樹[2]提出內(nèi)外壁熱鍍鋅無縫鋼管在高層建筑雨水排水系統(tǒng)中應(yīng)用方法并進(jìn)行了具體討論；蔣希芝[3]對溫室大棚常用鍍鋅圓鋼管應(yīng)用力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,相同處理?xiàng)l件下,壁厚相同,鋼管直徑增加,拉伸強(qiáng)度降低,斷裂伸長率增大,且高溫高濕作用對拉伸強(qiáng)度影響較小,對斷裂伸長率影響明顯；王展光[4]研究發(fā)現(xiàn),鍍鋅鋼管扭轉(zhuǎn)曲線分為彈性階段和屈服平臺階段,壓縮曲線的一個峰值對應(yīng)鍍鋅鋼管壓縮的一個褶皺,且鍍鋅鋼管壓縮屈服強(qiáng)度隨著受熱溫度升高而降低。

現(xiàn)有研究[1-3]表明鍍鋅鋼管力學(xué)性能在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用具有一定優(yōu)勢,因此,為了進(jìn)一步研究鍍鋅鋼管作為壓縮構(gòu)件的吸能性能,本文通過不同升溫和不同壁厚的壓縮吸能性能進(jìn)行研究,為豐富鍍鋅鋼管的應(yīng)用積累相關(guān)參考數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試件設(shè)計和制作

為了測試方形鍍鋅鋼管短柱在不同溫度條件下的吸能性能,購買了不同截面、不同壁厚的方形鍍鋅鋼管短柱試件,該批鋼管為鍍鋅鋼,方形鍍鋅鋼管短柱試件采用30mm×50mm×1mm(或1.5 mm或2mm)、40mm×40mm×1mm(或1.5 mm或2mm)、40mm×60mm×1mm(或1.5 mm或2mm)、40mm×80mm×1mm(或1.5 mm或2mm),部分試件見圖1。

圖1 鍍鋅方形鍍鋅鋼管短柱

2.2 加溫

本實(shí)驗(yàn)試件加熱電爐,為上海意豐電爐公司生產(chǎn),電爐最高溫度可達(dá)到1000℃。為了研究溫度變化對方形鍍鋅鋼管短柱壓縮吸能性能的影響模式,本次試驗(yàn)采用了三種升溫溫度,分別是600℃和400℃和20℃溫度,將試件置于實(shí)驗(yàn)爐內(nèi),按照加熱爐默認(rèn)升溫曲線進(jìn)行加熱,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后斷電待試件自然冷卻,對試件取出進(jìn)行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)[4]。

2.3 測試內(nèi)容及試驗(yàn)加載

本壓縮實(shí)驗(yàn)使用了濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司制造的電子萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW2000),按照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》(GB/T 7314-2017)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。荷載一位移曲線使用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來采集。對試件加載采用控制位移的方法,加載速度為設(shè)定為1mm/min,直至整個試件破壞或承載能力下降到峰值荷載的百分之二十[4]。

3 結(jié)果與討論

3.1 方形鍍鋅鋼管短柱不同溫度升溫下壓縮曲線

方形鍍鋅鋼管短柱試件采用40mm×40mm×200mm×2mm尺寸,不同溫度加溫后壓縮曲線見圖2,從圖中可以看出,在加溫溫度400℃、600℃后方形鍍鋅鋼管短柱壓縮曲線與常溫情況下壓縮曲線類似,主要呈現(xiàn)出兩個典型階段:彈性階段、屈服階段；加溫溫度400℃、600℃冷卻后方形鍍鋅鋼管短柱壓縮曲線與常溫情況下壓縮相似度較高,幾乎一致。

圖2 方形鍍鋅鋼管短柱壓縮σ-ε曲線

3.2 方形鍍鋅鋼管短柱吸能性能

如圖2所示,因?yàn)榉叫五冧\鋼管短柱在不同升溫條件下的壓縮σ-ε曲線趨于一致,因此,不同升溫后方形鍍鋅鋼管短柱的吸能能力和吸能效率也幾乎沒有變化,用20℃條件下的吸能能力曲線圖3和吸能效率曲線圖4示之。

圖3 方形鍍鋅鋼管短柱壓縮吸能能力圖(20℃)

圖4 方形鍍鋅鋼管短柱壓縮吸能效率圖(20℃)

3.3 方形鍍鋅鋼管短柱在不同壁厚條件下吸能性能研究

為了研究不同壁厚條件下方鋼管的力學(xué)性能和吸能性能,本文選用了40mm×40mm×200mm×2mm、40mm×40mm×200mm×1.5 mm和40mm×40mm×200mm×1mm三種壁厚規(guī)格方形鍍鋅鋼管短柱進(jìn)行20℃常溫軸向壓縮試驗(yàn)。

圖5 不同壁厚方形鍍鋅鋼管短柱壓縮σ-ε曲線

從不同壁厚方形鍍鋅鋼管短柱壓縮σ-ε曲線可知,壓縮曲線均經(jīng)歷了明顯的彈性階段和屈服階段兩個變形階段。方形鍍鋅鋼管短柱彈性階段非常短,不足屈服階段的5%；屈服階段的承載能力急劇的降低,不足峰值的50%；方形鍍鋅鋼管短柱承載能力隨著壁厚增加而提高。

3.4 不同壁厚方形鍍鋅鋼管短柱的吸能性能

3.4.1 吸能能力

在20℃條件下,對壁厚分別為1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm三種方形鍍鋅鋼管短柱進(jìn)行壓縮試驗(yàn),并對其壓縮σ-ε曲線進(jìn)行相應(yīng)計算、作圖,如圖6顯示,其吸能能力呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):

圖6 不同壁厚方形鍍鋅鋼管短柱吸能能力

(1)分階段看:在彈性階段方形鍍鋅鋼管短柱的吸能能力迅速提升,應(yīng)力達(dá)到峰值后即進(jìn)入屈服階段后,方形鍍鋅鋼管短柱的吸能能力提升速度逐漸降低。

(2)從定性角度看:方形鍍鋅鋼管短柱的吸能能力隨著壁厚的增加而提高,主要得益于壁厚增加彈性模量增大導(dǎo)致相應(yīng)應(yīng)力變大。

(3)從定量角度看:應(yīng)變?yōu)?%時,壁厚為1.0 mm的方鋼管短柱吸能能力為2.4 MJ/m3,壁厚為1.5 mm的方鋼管短柱吸能能力是6.1 MJ/m3,壁厚為2.0 mm的方鋼管短柱吸能能力是11.3 MJ/m3；應(yīng)變?yōu)?0%時,壁厚為1.0 mm的方鋼管短柱吸能能力為4.1 MJ/m3,壁厚為1.5 mm的方鋼管短柱吸能能力是10.0 MJ/m3,壁厚為2.0 mm的方鋼管短柱吸能能力是17.1 MJ/m3；應(yīng)變?yōu)?0%時,壁厚為1.0 mm的方鋼管短柱吸能能力為8.7 MJ/m3,壁厚為1.5 mm的方鋼管短柱吸能能力是20.5 MJ/m3,壁厚為2.0 mm的方鋼管短柱吸能能力是33.3 MJ/m3。

3.4.2 吸能效率

在20℃室溫條件下,分別對壁厚為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的方形鍍鋅鋼管短柱進(jìn)行壓縮試驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)計算、作圖,如圖7顯示,其吸能效率呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):

圖7 不同壁厚方形鍍鋅鋼管短柱吸能效率

(1)分階段看:彈性階段的吸能效率快速提高至峰值,屈服階段吸能效率逐步下降,趨于平緩,當(dāng)壁厚超過某一定值且應(yīng)變超過某極限值時,不同壁厚的方形鍍鋅鋼管短柱的吸能效率有趨于一致的趨勢。

(2)從定性角度看:方形鍍鋅鋼管短柱的吸能效率隨著壁厚增加相應(yīng)提高。

(3)從定量角度看:壁厚為1.0 mm的方形鍍鋅鋼管短柱吸能效率峰值為54.3 %,壁厚為1.5 mm的方形鍍鋅鋼管短柱吸能效率峰值為58.8 %,壁厚為2.0 mm的方形鍍鋅鋼管短柱吸能效率峰值為72.1%,分別對應(yīng)著應(yīng)力峰值處。

4 結(jié)論

本文通過方形鍍鋅鋼管短柱的軸向壓縮試驗(yàn),研究了溫度變化和壁厚變化對方形鍍鋅鋼管短柱的吸能性能的影響,得出以下結(jié)論:

4.1 溫度對方形鍍鋅鋼管短柱力學(xué)性能和吸能性能的影響非常小。

4.2 方形鍍鋅鋼管短柱的壁厚,對方形鍍鋅鋼管短柱的吸能性能(吸能能力和吸能效率)影響較大,吸能性能一般隨著壁厚的增加而提高。

4.3 可以通過適當(dāng)增加壁厚來提升方形鍍鋅鋼管柱力吸能吸能。