方形镀锌钢管短柱压缩吸能性能研究

李杰 张婧

(凯里学院建筑工程学院,贵州 凯里556011)

1 概述

镀锌钢管在国民经济建设中发挥重要作用,例如在建筑行业、机械行业、采矿业、化工行业、电力输送行业、汽车行业、交通运输行业、机械装备行业均有重要应用。

季顺勇[1]提出使用镀锌钢管代替水泥电线杆进行杆路建设,这为加快乡村山区输电系统改造升级提出了新思路；陈建树[2]提出内外壁热镀锌无缝钢管在高层建筑雨水排水系统中应用方法并进行了具体讨论；蒋希芝[3]对温室大棚常用镀锌圆钢管应用力学性能试验进行了研究,结果表明,相同处理条件下,壁厚相同,钢管直径增加,拉伸强度降低,断裂伸长率增大,且高温高湿作用对拉伸强度影响较小,对断裂伸长率影响明显；王展光[4]研究发现,镀锌钢管扭转曲线分为弹性阶段和屈服平台阶段,压缩曲线的一个峰值对应镀锌钢管压缩的一个褶皱,且镀锌钢管压缩屈服强度随着受热温度升高而降低。

现有研究[1-3]表明镀锌钢管力学性能在相关行业应用具有一定优势,因此,为了进一步研究镀锌钢管作为压缩构件的吸能性能,本文通过不同升温和不同壁厚的压缩吸能性能进行研究,为丰富镀锌钢管的应用积累相关参考数据。

2 试验研究

2.1 试件设计和制作

为了测试方形镀锌钢管短柱在不同温度条件下的吸能性能,购买了不同截面、不同壁厚的方形镀锌钢管短柱试件,该批钢管为镀锌钢,方形镀锌钢管短柱试件采用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),部分试件见图1。

图1 镀锌方形镀锌钢管短柱

2.2 加温

本实验试件加热电炉,为上海意丰电炉公司生产,电炉最高温度可达到1000℃。为了研究温度变化对方形镀锌钢管短柱压缩吸能性能的影响模式,本次试验采用了三种升温温度,分别是600℃和400℃和20℃温度,将试件置于实验炉内,按照加热炉默认升温曲线进行加热,实验结束后断电待试件自然冷却,对试件取出进行轴向压缩实验[4]。

2.3 测试内容及试验加载

本压缩实验使用了济南恒思盛大仪器有限公司制造的电子万能试验机(WDW2000),按照国家标准《金属材料室温压缩试验方法》(GB/T 7314-2017)规定的标准试验方法进行试验。荷载一位移曲线使用IMP数据采集系统来采集。对试件加载采用控制位移的方法,加载速度为设定为1mm/min,直至整个试件破坏或承载能力下降到峰值荷载的百分之二十[4]。

3 结果与讨论

3.1 方形镀锌钢管短柱不同温度升温下压缩曲线

方形镀锌钢管短柱试件采用40mm×40mm×200mm×2mm尺寸,不同温度加温后压缩曲线见图2,从图中可以看出,在加温温度400℃、600℃后方形镀锌钢管短柱压缩曲线与常温情况下压缩曲线类似,主要呈现出两个典型阶段:弹性阶段、屈服阶段；加温温度400℃、600℃冷却后方形镀锌钢管短柱压缩曲线与常温情况下压缩相似度较高,几乎一致。

图2 方形镀锌钢管短柱压缩σ-ε曲线

3.2 方形镀锌钢管短柱吸能性能

如图2所示,因为方形镀锌钢管短柱在不同升温条件下的压缩σ-ε曲线趋于一致,因此,不同升温后方形镀锌钢管短柱的吸能能力和吸能效率也几乎没有变化,用20℃条件下的吸能能力曲线图3和吸能效率曲线图4示之。

图3 方形镀锌钢管短柱压缩吸能能力图(20℃)

图4 方形镀锌钢管短柱压缩吸能效率图(20℃)

3.3 方形镀锌钢管短柱在不同壁厚条件下吸能性能研究

为了研究不同壁厚条件下方钢管的力学性能和吸能性能,本文选用了40mm×40mm×200mm×2mm、40mm×40mm×200mm×1.5 mm和40mm×40mm×200mm×1mm三种壁厚规格方形镀锌钢管短柱进行20℃常温轴向压缩试验。

图5 不同壁厚方形镀锌钢管短柱压缩σ-ε曲线

从不同壁厚方形镀锌钢管短柱压缩σ-ε曲线可知,压缩曲线均经历了明显的弹性阶段和屈服阶段两个变形阶段。方形镀锌钢管短柱弹性阶段非常短,不足屈服阶段的5%；屈服阶段的承载能力急剧的降低,不足峰值的50%；方形镀锌钢管短柱承载能力随着壁厚增加而提高。

3.4 不同壁厚方形镀锌钢管短柱的吸能性能

3.4.1 吸能能力

在20℃条件下,对壁厚分别为1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm三种方形镀锌钢管短柱进行压缩试验,并对其压缩σ-ε曲线进行相应计算、作图,如图6显示,其吸能能力呈现出以下特点:

图6 不同壁厚方形镀锌钢管短柱吸能能力

(1)分阶段看:在弹性阶段方形镀锌钢管短柱的吸能能力迅速提升,应力达到峰值后即进入屈服阶段后,方形镀锌钢管短柱的吸能能力提升速度逐渐降低。

(2)从定性角度看:方形镀锌钢管短柱的吸能能力随着壁厚的增加而提高,主要得益于壁厚增加弹性模量增大导致相应应力变大。

(3)从定量角度看:应变为5%时,壁厚为1.0 mm的方钢管短柱吸能能力为2.4 MJ/m3,壁厚为1.5 mm的方钢管短柱吸能能力是6.1 MJ/m3,壁厚为2.0 mm的方钢管短柱吸能能力是11.3 MJ/m3；应变为10%时,壁厚为1.0 mm的方钢管短柱吸能能力为4.1 MJ/m3,壁厚为1.5 mm的方钢管短柱吸能能力是10.0 MJ/m3,壁厚为2.0 mm的方钢管短柱吸能能力是17.1 MJ/m3；应变为20%时,壁厚为1.0 mm的方钢管短柱吸能能力为8.7 MJ/m3,壁厚为1.5 mm的方钢管短柱吸能能力是20.5 MJ/m3,壁厚为2.0 mm的方钢管短柱吸能能力是33.3 MJ/m3。

3.4.2 吸能效率

在20℃室温条件下,分别对壁厚为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的方形镀锌钢管短柱进行压缩试验并进行相应计算、作图,如图7显示,其吸能效率呈现出以下特点:

图7 不同壁厚方形镀锌钢管短柱吸能效率

(1)分阶段看:弹性阶段的吸能效率快速提高至峰值,屈服阶段吸能效率逐步下降,趋于平缓,当壁厚超过某一定值且应变超过某极限值时,不同壁厚的方形镀锌钢管短柱的吸能效率有趋于一致的趋势。

(2)从定性角度看:方形镀锌钢管短柱的吸能效率随着壁厚增加相应提高。

(3)从定量角度看:壁厚为1.0 mm的方形镀锌钢管短柱吸能效率峰值为54.3 %,壁厚为1.5 mm的方形镀锌钢管短柱吸能效率峰值为58.8 %,壁厚为2.0 mm的方形镀锌钢管短柱吸能效率峰值为72.1%,分别对应着应力峰值处。

4 结论

本文通过方形镀锌钢管短柱的轴向压缩试验,研究了温度变化和壁厚变化对方形镀锌钢管短柱的吸能性能的影响,得出以下结论:

4.1 温度对方形镀锌钢管短柱力学性能和吸能性能的影响非常小。

4.2 方形镀锌钢管短柱的壁厚,对方形镀锌钢管短柱的吸能性能(吸能能力和吸能效率)影响较大,吸能性能一般随着壁厚的增加而提高。

4.3 可以通过适当增加壁厚来提升方形镀锌钢管柱力吸能吸能。