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(guó)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(jí)提出了新思路；陳建樹(shù)[2]提出內(nèi)外壁熱鍍鋅無(wú)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(duì)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(zhǎng)率增大,且高溫高濕作用對(duì)拉伸強(qiáng)度影響較小,對(duì)斷裂伸長(zhǎng)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(tái)階段,壓縮曲線的一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)鍍鋅鋼管壓縮的一個(gè)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(shì),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(guò)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(jì)和制作

為了測(cè)試方形鍍鋅鋼管短柱在不同溫度條件下的吸能性能,購(gòu)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(jiàn)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(duì)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(duì)試件取出進(jìn)行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)[4]。

2.3 測(cè)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDW2000),按照國(guó)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(lái)采集。對(duì)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(gè)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(jiàn)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(gè)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(méi)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(gè)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(duì)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(duì)其壓縮σ-ε曲線進(jìn)行相應(yīng)計(jì)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(shí),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(shí),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(shí),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(duì)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(jì)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(guò)某一定值且應(yīng)變超過(guò)某極限值時(shí),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(shì)。

(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(duì)應(yīng)著應(yīng)力峰值處。

4 結(jié)論

本文通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)適當(dāng)增加壁厚來(lái)提升方形鍍鋅鋼管柱力吸能吸能。