高温后方形泡沫铝填充钢管轴向压缩力学性能.pdf

轻金属 年第 期基金项目：凯里学院博士发展专项研究课题（）；黔东南州科技计划项目（黔东南科合 字 号）；贵州省教育厅高等学校科学研究项目（青年项目）（黔科技 号）作者简介：王展光（），博士，教授，从事超轻金属材料性能研究，：通讯作者：王振田（），高级工程师，从事工程结构性研究。：收稿日期：轻金属材料高温后方形泡沫铝填充钢管轴向压缩力学性能王展光，蔡 萍，李冬梅，邵建华，王振田（凯里学院 建筑工程学院，贵州 凯里 ；江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 ；贵州中建伟业建设（集团）有限责任公司，贵州 凯里 ）摘要：为了研究高温后泡沫铝填充钢管轴向压缩性能，将制作好试件进行加温，自然冷却后进行静态轴向压缩试验，研究其承载能力和变形情况；分析加温温度、泡沫铝密度等参数对性能的影响。研究表明：在高温后压缩情况下，构件屈曲褶皱波瓣数量增加，其压缩变形模式从对称模式变成了非对称模式；其平均压溃载荷随加温温度的增加而减小，随着泡沫铝相对密度和外围钢管厚度的增大而增大；在平均压溃载荷理论公式中考虑外围钢管与填充的泡沫铝产生交互效应的影响，相关理论公式与试验结果吻合较好。关键词：高温；泡沫铝；镀锌钢管；平均压溃载荷；压缩性能中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；（），）：，；，；，；，：；过去几十年，具有轻质高吸能的泡沫材料广泛应用于道路运输、轨道运输、船舶等行业 。内部填充泡沫材料可以限制外层金属管的侧向变形，提高金属钢管的整体失稳承载力和吸收能量的能力 。在理论分析中，假设内填充泡沫金属组合钢管平均压碎力由两个非相互作用的部分组成，低估了平均压碎力 。泡沫填充消除了非压实破碎行为，并有助于防止整体弯曲；在动态载荷下，泡沫填充管的整体屈曲总是从近端变形 。填充泡沫铝后，组合结构的能量吸收量有了较大提高，并且单位质量的能量吸收也有显著提高 。与未填充的空管相比，内填充泡沫金属的密度越大，填充后结构的动态响应作用越明显 。加载速率对泡沫金属填充薄壁金属管的吸能性能有较大影响，其能量吸收随着加载速率的增大而提高 。填充泡沫金属后，组合结构管壁的压入量显著减小，泡癎金属的密度对承载能力有较大影响，填充结构的承载能力随着泡沫金属的密度的增加而增大 。在冲击速率一定下，冲击刚体质量对结构的吸能能力有一定的影响，随着冲击刚体质量的增加，结构能量吸收有一定的提高 。与方形截面相比，截面形状为圆形时，单位行程能量吸收、能量吸收效率因子、结构平均压垮载荷以及比质量能量吸收等都有一定的提高 。在侧向冲击载荷作用下，组合管在最大承载能力、能量吸收和变形模式等方面都有较大提高 。年第 期王展光 等：高温后方形泡沫铝填充钢管轴向压缩力学性能 目前对高温后泡沫金属填充钢管性能研究还相对较少，在前期对高温后圆形泡沫铝填充镀锌钢管压缩性能研究的基础上 ，本文对高温后方形截面泡沫铝填充镀锌钢管构件进行了静态压缩试验，采用考虑外围钢管和填充的泡沫铝产生交互效应的理论公式对其承载力进行分析，探讨了加温温度、泡沫铝密度、钢管厚度等参数对方形泡沫铝填充镀锌钢管力学性能的影响。试验研究 试件设计和制作镀锌钢管具有良好的防腐性能，在工程使用越来越广泛，目前对镀锌钢管填充构件的研究较少。本次试验采用方形截面镀锌钢管作为外围构件，方形截面镀锌钢管在钢材市场上购置，截面边长 ，钢管厚度 分别为 、；构件长度 为 。闭孔泡沫铝由四川某公司通过缓释铸造发泡技术制备，泡沫铝相对密度 ，将制备好的泡沫铝加工成需要的尺寸，填充到加工好的方形镀锌钢管中。泡沫铝和外层钢管粘结后，会导致组合柱发生拉伸破裂，从而降低组合柱的整体承载力，因此本批样品中，泡沫铝和外层钢管之间没有进行粘结处理。本次试验共设计试件 个，其中泡沫铝填充钢管构件 个，镀锌钢管构件 个，具体见表 。表 试件基本参数试样分组钢管厚度 泡沫铝相对密度加温温度数量试样分组钢管厚度 泡沫铝相对密度加温温度数量 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 注：空钢管，泡沫铝填充钢管，加温温度 ，加温温度 。高温后镀锌钢材和闭孔泡沫铝的力学性能高温后闭孔泡沫铝的单向压缩下压缩屈服应力的公式为 ：（）（）()（）式中：为基体的屈服强度，取 ；（）为泡沫铝的温度软化项 （）。（）其公式为：（）()（）式中：为室温，取值 ；为铝的熔点，取值为 。其中指数 为：（）镀锌钢管的钢材力学参数见表 。表 镀锌钢管的钢材力学参数温度比例强度 屈服强度（）极限强度（）温度比例强度 屈服强度（）极限强度（）轻金属 年第 期 加温和加载试验加热采用定制加热电炉，其采用多段智能程序仪表，最高加温温度为 。将制作好方形截面泡沫铝填充镀锌钢管构件放入实验炉中，按照图 中的实验升温曲线模拟火灾情况进行加热，加热结束后待自然冷却后，将试件取出进行压缩实验。为了比较温度变化对泡沫铝填充镀锌钢管性能的影响，本次试验采用了三种温度，分别是最高温度 、和 。9006003000T/0100200300t min/800600400图 升温曲线压缩实验在电子压缩试验机（）上进行，荷载一位移曲线由 数据采集系统进行采集。对试件采用控制位移的方法进行加载，加载速度为 ，直至整个构件破坏或承载力下降到峰值荷载的 。试验结果分析 加热后实验现象及分析对方形泡沫铝填充镀锌钢管按图 的升温曲线进行加温，加温后其形态见图 。当其按最高加温为 曲线进行加温，泡沫铝填充镀锌钢管没有明显变化；当按最大加温温度为 曲线进行加温后，可以发现钢材表面有较为明显蓝色，说明出现局部碳化；当其加热温度达到 时，由于铝的熔点 ，泡沫铝发生液化现象，钢管厚度和强度不足时，会发生爆破现象。方形泡沫铝填充镀锌钢管压缩现象及分析镀锌钢管和填充泡沫铝镀锌钢管在不同温度下的压缩变形见图 图 。图 为常温情况下的变形形态，从中可以看出，在常温情况下构件受到轴线压缩作用后，镀锌钢管和填充泡沫钢管构件出现压缩褶皱，且褶皱变形发a 20-b 400-c 600-d 800-图 试件高温后的形态a-=0b-=.0 09c-=.0 19d-=.0 25图 常温情况下镀锌钢管和填充钢管压缩变形a-=0b11-=.0c-=.0 17d-=.0 22图 高温后镀锌钢管和填充钢管压缩变形 年第 期王展光 等：高温后方形泡沫铝填充钢管轴向压缩力学性能 生在试件压缩受力一端，但引入泡沫填料后，外围钢管变形行为发生了明显的变化。首先，填充泡沫铝后构件压缩端产生的褶皱数随着泡沫铝的相对密度增加而增多，未填充泡沫铝的镀锌钢管压缩褶皱数为 个。泡沫铝相对密度为 时，构件褶皱数量增加到 个。泡沫铝相对密度为 时，构件褶皱数量增加到 个。泡沫铝相对密度为 时，构件褶皱数量增加到 个。这是由于在压缩过程中内部泡沫铝增加外围镀锌钢管的刚度、减小了镀锌钢管的初始屈曲长度，提高了其承压载荷，具体击溃载荷见后文表 ；其次，变形模式也会发生改变，未填充泡沫铝的镀锌钢管压缩后变形模式为对称性，但填充泡沫铝后其压缩变形模式从对称模式变成了非对称模式，而且随着填充泡沫铝相对密度的增加，其变形不对称性更加明显。图 和图 为加温最高温度为 和 后的压缩变形形态，从图中可以看出，加温后填充泡沫铝镀锌钢管变形形态与常温情况下相似，构件随着填充泡沫铝密度的增加，其褶皱数量和不对称性增加，但随着最大加温温度增加，其不对称性相对于常温情况下有明显的缓解。a 0-=b12-=.0c-=.0 17d-=.0 21图 高温后镀锌钢管和填充钢管压缩变形 高温后方形泡沫铝填充镀锌钢管载荷位移曲线高温后方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管压缩载荷位移曲线见图 。从图中可以看出，方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管的载荷位移曲线由弹性阶段和屈服平台阶段两个阶段组成。在弹性阶段，载荷位移曲线金属表现为线性，构件受所受荷载主要由外围的镀锌钢管来承担；在屈服平台阶段，构件压缩在平台阶段表现为压缩曲线围绕屈服平台段荷载的上下波动；在外围钢管和填充的泡沫铝交互效应作用下，其在平台阶段峰值荷载有所提升，且泡沫铝的相对密度越大提升越明显。?=.0 12?=.0 17?=.0 22?=00204060?/mm16012080400?/kN图 镀锌钢管和填充钢管压缩载荷位移曲线 高温后泡沫铝填充镀锌钢管压缩平均屈服强度 高温后试验压缩平均压溃载荷高温后方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管试验压缩平均屈服强度根据其压缩曲线和吸能能力曲线进行计算，其公式如下 （）（）（）式中：（）为方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管吸能能力，为压缩构件的最终压缩值。（）的公式如下：（）（）（）式中：（）为构件轴向压力，为构件压缩变形。高温后构件平均压溃载荷的理论公式 ：考虑外围钢管和填充的泡沫铝产生交互效应，高温后方形截面泡沫铝填充镀锌钢管其平均压溃载荷具体公式为：（）（）（）（槡）（）式中：（）为高温后镀锌钢材的屈服强度，见表；（）高温后泡沫铝的屈服强度，见公式（）；为外围钢管与填充的泡沫铝交互效应系数。公式（）考虑了空钢管和单独泡沫铝的组合效应对组合结构力学性能的提高，其主要由三部分组成，其公式的第一项为镀锌钢管平均压溃载荷，第二项为填充泡沫铝平均压溃载荷，第三项为外围钢管与 轻金属 年第 期填充的泡沫铝产生交互效应。交互效应系数 的公式如下：（）式中：为截面镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管的相对压缩变形，其按下面公式进行求解：（）式中：为构件原始长度。高温后方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管构件相对压缩变形与相对密度和高温温度的关系见图。从图中趋势线可以看出，构件的相对压缩变形随填充泡沫铝相对密度的增大而增大，这是由于泡沫铝填充能够较好改善外围钢管的失稳性能，而镀锌钢管较早发生屈曲失稳。从图中可以看出，同时在相同相对密度下，构件的相对压缩变形随加温温度增加而增加。根据公式（）和公式（）计算的镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷的试验值和理论值见表 和图，从中可以看出，泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷理论值和试验值比值在 直线附近，说明理论值与试验值基本一致。?400?600?0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.Dc-.0 10 0.0 1.0 2.0 3.?图 构件相对压缩变形与相对密度和高温温度的关系表 高温后镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷试样分组钢管厚度 泡沫铝相对密度加温温度 试验值 试样分组钢管厚度 泡沫铝相对密度加温温度 试验值 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温 常温?400?y x=600?9060300?/kN0306090?/kN图 平均压溃载荷理论值与试验值对比?.?0 12806040200?/kN200400600800?/图 平均压溃载荷试验值与加温温度关系 年第 期王展光 等：高温后方形泡沫铝填充钢管轴向压缩力学性能 加温温度的影响为了考查加温温度对方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管构件平均压溃载荷的影响，取钢管厚度为 镀锌钢管和泡沫铝相对密度等于 的填充泡沫铝镀锌钢管来进行对比分析，见图 。从图中可以看出，方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管构件平均压溃载荷随着加温温度的增加而降低。泡沫铝相对密度的影响为了考查泡沫铝相对密度对方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管构件平均压溃载荷的影响，取钢管厚度为 镀锌钢管和填充泡沫铝镀锌钢管来进行对比分析，见图 。从图中可以看出，方形镀锌钢管和泡沫铝填充镀锌钢管构件平均压溃载荷随着泡沫铝相对密度的增加而增加，其随着泡沫铝相对密度的增加而近似线性变化。?400?600?100806040200?/kN0 0.0 1.0 2.?图 泡沫铝相对密度对构件压溃载荷的影响 镀锌钢管厚度的影响为了考查镀锌钢管厚度对方形泡沫铝填充镀锌钢管构件平均压溃载荷的影响，对相近泡沫铝相对密度的泡沫铝填充镀锌钢管进行分析，见图 。从图中可以看出，泡沫铝填充镀锌钢管构件平均压溃载荷随着钢管厚度的增加而增加。结 论通过对高温后方形截面泡沫铝填充镀锌钢管进行压缩试验和理论分析，可以得到：（）在压缩情况下，高温后镀锌钢管和填充泡沫钢管构件出现截面褶皱，填充泡沫铝后，增加镀锌钢管的刚度，构件压缩端产生的褶皱数量随着填充泡沫铝相对密度的增加而增加；镀锌钢管压缩后变形模式为对称性，填充泡沫铝后其压缩变形模式从对称模式变成了非对称模式。加温后填充泡沫铝镀锌钢管变形形态与常温情况下相似，但随着最大加温温度增加，可以看到其不对称性相对于常温情况下有明显的缓解。?.0 1?.0 18?.0 22100806040200?/kN0 5.1 0.1 5.2 0.2 5.?/mm图 钢管厚度对构件压溃载荷的影响（）考虑外围钢管和填充的泡沫铝产生交互效应，高温后泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷由镀锌钢管平均压溃载荷、填充泡沫铝平均压溃载荷和外围钢管与填充的泡沫铝产生交互效应三部分组成，相关理论公式与试验结果吻合较好（）方形截面泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃载荷随加温温度的增加而减小，随着泡沫铝相对密度和外围钢管厚度的增大而增大。参考文献：，（）：，（）：，（）：杨智春，袁潘 填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究 振动工程学报，（）：罗昌杰，刘荣强，邓宗全，等泡沫铝填充薄壁金属管塑性变形缓冲器吸能特性的试验研究 振动与冲击，（）：，轻金属 年第 期 ，（）：，：，（）：，（）：，（）：桂良进，范子杰，等泡沫填充圆管的动态轴向压缩吸能特性 清华大学学报，（）：，（）：，（）：谢中友，李剑荣，等泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟 固体力学学报，（）：屠永清，张存涛泡沫铝填充钢管短柱工作性能研究 工业建筑，（）：张涛，徐治平，朱学康，等 泡沫铝填充薄壁结构吸能分析 船舰科学技术，（）：黄炼，吕志强，赵应龙泡沫铝填充圆管轴向动力屈曲及吸能特性研究 船舰科学技术，（）：李志斌，虞吉林，郑志车，等薄壁铝管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究 实验力学，（）：，：黄志超 侧向载荷下泡沫铝填充薄壁金属圆管的变形与吸能特性 太原：太原理工大学，王展光，董志伟，李杰 高温后圆形泡沫铝填充镀锌钢管压缩性能研究 建筑结构，（）：王展光，甄映红，汪洋 高温后镀锌钢材和低碳钢材力学性能研究 重庆建筑，（）：甄映红，王展光 不同温度下闭孔泡沫铝压缩性能研究 轻金属，（）：（责任编辑刘宝兰）行业资讯櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈櫈殲殲殲殲力拓集团的铝土矿资源力拓集团是一家集矿产资源勘探、开采及加工于一体的跨国矿业公司，总部设在英国伦敦，致力于全球矿产资源的开发、勘探和布局，战略发展重点在上游矿产资源。力拓的四大产品集团为：铝业集团、铜与钻石集团、能源与工业矿物集团、铁矿集团。业务遍及全球，但重点在澳大利亚和北美。力拓铝业务集中于铝土矿、氧化铝和电解铝。年氧化铝产量和原铝产量均居世界第六位。力拓在澳大利亚、巴西和几内亚有 个铝土矿项目，年权益产量 ，澳大利亚的韦帕（）是其最大的铝土矿，年产量 ，占力拓权益产量的 。在澳大利亚、加拿大和巴西有 家氧化铝厂，年产量 ，其中 以上产量位于加拿大和澳大利亚，家在加拿大，产量占 ，澳大利亚的产量占 ，在冰岛、阿曼和新西兰也有原铝厂。力拓 年铝土矿的产量（）见下表。国家工 厂权益 探明储量 年权益产量 澳大利亚哥弗（）韦帕（）巴西特罗比塔斯港（）几内亚萨甘莱迪（）总计 王祝堂 供稿