楊世勝，高 岳，周繼波

（1.連云港市贛榆區(qū)公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 連云港 222100；2.中國(guó)人民解放軍73049 部隊(duì)，江蘇 蘇州 215101；3.中國(guó)人民解放軍32136 部隊(duì)，河北 張家口 075499）

管材構(gòu)件在航空航天、海洋平臺(tái)、輸電設(shè)施、能源化工及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在中國(guó)工程院發(fā)布的《全球工程前沿2022》中，“極端環(huán)境下工程減災(zāi)機(jī)理與防控”“高效吸能復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐沖擊性能”被評(píng)為土木、水利與建筑工程領(lǐng)域Top10 工程研究前沿。隨著管形構(gòu)件在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于管材的技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。在組合結(jié)構(gòu)中，受拉是鋼管的常見(jiàn)受力狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)管材服役過(guò)程中，當(dāng)遇到地震、爆炸、撞擊及冰雪災(zāi)害等極端工況時(shí)，會(huì)因承受過(guò)大拉伸載荷而導(dǎo)致強(qiáng)度失效，其破壞過(guò)程往往是一個(gè)復(fù)雜的變形破壞過(guò)程。因此，管材在特定工況下的極限力學(xué)性能研究成為工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重要問(wèn)題。

關(guān)于空心管材拉伸力學(xué)性能的研究是一個(gè)比較成熟的領(lǐng)域。孫宏等[1]對(duì)X70M 管線鋼管進(jìn)行了高溫拉伸性能研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的升高，X70M 管線鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度先于抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)下降；Guo 等[2]研究了退火處理對(duì)斜軋Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo 合金管組織演變和拉伸力學(xué)性能的影響，隨著退火溫度的升高，屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和延伸率均有所增加；陳吉生等[3]研究了1Cr18Ni9Ti 管材拉伸斷裂過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展，推導(dǎo)出了試件均勻變形任意時(shí)刻真實(shí)拉伸應(yīng)力的近似公式，并結(jié)合有限元分析了頸縮過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布；楊濱等[4]研究了12Cr1MoV 鋼管在長(zhǎng)時(shí)服役后組織及拉伸性能的退化，并與未服役鋼管進(jìn)行了高溫及室溫情況下的拉伸斷裂對(duì)比分析，長(zhǎng)時(shí)服役后鋼管的室溫屈服強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯降低。

由于管材特殊的中空結(jié)構(gòu)，其在縱向拉伸時(shí)會(huì)發(fā)生較為明顯的橫向頸縮；管材中間部位的橫向頸縮加劇了頸縮處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而加速了管材在中間部位的斷裂，造成了管材其他部位材料的力學(xué)性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮。而設(shè)置內(nèi)部填充的管材，由于內(nèi)部材料的支撐作用，在一定程度上限制了管材中部的橫向頸縮，使得整個(gè)管段變形更加均勻，從而提升了管材的整體力學(xué)表現(xiàn)。因而，探究?jī)?nèi)部填充材料對(duì)于管材力學(xué)性能的影響對(duì)于準(zhǔn)確描述和改善管材力學(xué)表現(xiàn)有重要指導(dǎo)作用。

對(duì)于內(nèi)部有填充的管材的研究，主要集中在鋼管混凝土的極限承載力[5-6]、抗震性能[7-8]以及泡沫金屬填充薄壁管的吸能特性[9-11]、壓縮行為[12-13]、耐撞性分析[14]等，大多是基于填充某種材料管材的壓縮性能研究。內(nèi)部預(yù)置填充材料的管材拉伸性能研究相對(duì)較少，主要集中于鋼管混凝土的拉伸性能試驗(yàn)。Han 等[15]對(duì)18 份鋼管混凝土試件在軸向受拉作用下的受力機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土試件的抗拉強(qiáng)度由于填充混凝土而提高了11%左右，并提出了預(yù)測(cè)拉伸強(qiáng)度的簡(jiǎn)化公式；Zhou 等[16]對(duì)軸向受拉下的矩形鋼管混凝土試件的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)該試件的抗拉強(qiáng)度平均比空心管高5.2%；Ye 等[17]對(duì)不銹鋼鋼管混凝土偏心受拉構(gòu)件的力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了混凝土填充體與外不銹鋼管有效配合，可使其抗拉強(qiáng)度比相應(yīng)的空心不銹鋼管提高5%～10%；Li 等[18]對(duì)于雙層鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了偏心拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件的初始剛度相對(duì)于空心鋼管有較大提高，極限抗拉強(qiáng)度隨偏心量的增大而減小。通過(guò)有關(guān)學(xué)者關(guān)于各型鋼管混凝土的拉伸試驗(yàn)研究，可以得出，混凝土填充體對(duì)于提高鋼管的抗拉強(qiáng)度有重要作用，但對(duì)于鋼管延性、斷裂能的分析則少見(jiàn)報(bào)道。

本研究對(duì)薄壁圓管進(jìn)行了單軸拉伸斷裂試驗(yàn)，獲得了不同內(nèi)部支撐和加載速率工況下試件的名義極限抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)量和斷裂能，并與空管拉伸結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，分析了柔性內(nèi)部支撐與剛性內(nèi)部支撐對(duì)于管材力學(xué)性能的影響，指出PU 作為內(nèi)部支撐材料時(shí)，可顯著提升管材的綜合力學(xué)表現(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)研究對(duì)象為工業(yè)用304 不銹鋼（0Cr18Ni9）薄壁圓管，圓管的尺寸：圓管外徑D0=30.0 mm，圓管內(nèi)徑d0=25.7 mm，圓管橫截面面積S0=188.1 mm2。

根據(jù)ISO 6892-1：2019《Metallic materials—Tensile testing》和GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》，確定試件原始標(biāo)距，得

取L0=80 mm。

確定試件平行長(zhǎng)度，得

取Lc=95 mm。

由試驗(yàn)機(jī)夾具尺寸，確定夾持長(zhǎng)度：Lh=60 mm。

由Lc和Lh確定試件總長(zhǎng)度Lt，得

為防止夾持時(shí)圓管端部發(fā)生變形，使用Q235 圓鋼作為夾持端的內(nèi)部支撐。夾持端塞頭長(zhǎng)度Lb=60 mm，同時(shí)為避免焊接帶來(lái)的殘余應(yīng)力，使用金屬黏接劑將圓管內(nèi)壁與塞頭外壁粘接。

依據(jù)上述尺寸及要求制作的304 不銹鋼薄壁圓管標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖1 所示。

圖1 薄壁圓管標(biāo)準(zhǔn)試件

本研究共5 種工況，1 種為空管（Empty），4 種為有填充工況。4 種支撐材料分別為聚氨酯（PU）、聚四氟乙烯（PTFE）、ABS 工程塑料（ABS）、Q235 圓鋼，均為直徑25 mm、長(zhǎng)度95 mm 的棒材。支撐材料與304 薄壁圓管內(nèi)壁及端部塞頭不采用任何黏結(jié)方式。5 種內(nèi)部支撐工況及其實(shí)測(cè)彈性模量Ε、密度ρ 如圖2 所示。

圖2 內(nèi)部支撐工況圖

1.2 加載方法

1）參考標(biāo)準(zhǔn)：ISO 6892-1：2019和GB/T 228.1—2021。

2）加載設(shè)備：120 mm·min-1以下加載速率使用深圳萬(wàn)測(cè)100 噸級(jí)HUT106D 試驗(yàn)機(jī)，120 mm/min 以上加載速率使用w+b LFV-1000KN 型試驗(yàn)機(jī)。

3）加載速率：設(shè)置了5檔加載速率，分別為2、3、15、75和120 mm·min-1，并對(duì)部分試件設(shè)置了0.6～3 000 mm·min-1的加載速率，實(shí)現(xiàn)了10-4～10-1/s量級(jí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率。

4）采樣頻率：加載速率在120 mm·min-1以下時(shí)，采樣頻率為10 Hz；加載速率在120 mm·min-1以上時(shí)，采樣頻率為200 Hz。

1.3 試驗(yàn)步驟

1）標(biāo)定試驗(yàn)機(jī)：通過(guò)一組圓鋼試件的彈性拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)自身系統(tǒng)的位移和試驗(yàn)機(jī)拉力有較好的線性關(guān)系，并且線性關(guān)系的重復(fù)性良好。在位移數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，扣除了拉力造成的試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)位移。經(jīng)以上標(biāo)定過(guò)程，得到的位移值更接近試件的真實(shí)伸長(zhǎng)量。

2）拉伸前對(duì)試樣和夾具清洗去油，防止拉伸過(guò)程中試樣與夾具滑脫。

3）安裝試件，按照方案既定的加載速率拉伸至斷裂。

4）記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用Origin 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄壁圓管標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為研究填充材料對(duì)薄壁圓管拉伸力學(xué)性能的影響，基于110 根試件的拉伸試驗(yàn)，獲得了5 種填充工況、5 檔加載速率（2、3、15、75、120 mm·min-1）下試件的力學(xué)性能表現(xiàn)，分析了有內(nèi)部支撐試件的名義極限抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)量、斷裂能3 個(gè)方面相對(duì)于空管試件的增幅。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1—3。

表1 極限抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 伸長(zhǎng)量試驗(yàn)結(jié)果

表3 斷裂能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 填充材料對(duì)薄壁圓管拉伸性能的影響

為定量地分析支撐剛度對(duì)于薄壁圓管力學(xué)性能增幅的影響規(guī)律，基于表1—3 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者繪制了不同內(nèi)部支撐下試樣的極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)量、斷裂能相對(duì)于空管的增幅曲線，如圖3—5 所示。圖中實(shí)線代表管段中間斷裂模式，虛線代表靠近夾持側(cè)斷裂模式。

圖5 斷裂能增幅的變化曲線圖

圖3—5 表明：①隨支撐剛度的增大，極限強(qiáng)度先增大后減小，斷裂模式轉(zhuǎn)變后，極限強(qiáng)度仍有一定的提升。②隨支撐剛度的增大，伸長(zhǎng)量和斷裂能均呈先增大后減小趨勢(shì)。③當(dāng)支撐剛度達(dá)到500～1 000 MPa 時(shí)，管材伸長(zhǎng)量開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增幅，支撐剛度越大，減小趨勢(shì)越明顯；受此影響，斷裂能增長(zhǎng)趨勢(shì)也發(fā)生逆轉(zhuǎn)。④當(dāng)加載速率為15 mm·min-1時(shí)，管材力學(xué)性能提升幅度最大。管段中間斷裂模式情況下，極限強(qiáng)度最大增幅10.81%（PTFE），伸長(zhǎng)量最大增幅24.56%（ABS），斷裂能最大增幅35.94%（PTFE）。

2.3 柔性填充材料的綜合對(duì)比分析

內(nèi)部剛性支撐（Q235圓鋼）情況下，斷裂模式均為夾持側(cè)斷裂，名義極限抗拉強(qiáng)度提高5.51%（2 mm·min-1）～15.18%（15mm·min-1），伸長(zhǎng)量增幅為-25.3%（3mm·min-1）～6.41%（15mm·min-1），斷裂能增幅為-22.23%（3mm·min-1）～2.73%（15 mm·min-1）。試驗(yàn)結(jié)果表明，剛性支撐可以明顯提高管材構(gòu)件的極限承載能力，但是對(duì)延伸率有非常不利的影響，從而導(dǎo)致斷裂能較大幅度的降低，嚴(yán)重影響管材構(gòu)件在極限工況下的斷裂韌性。當(dāng)加載速率為15 mm·min-1時(shí)，所有支撐情況都表現(xiàn)最優(yōu)，3 種支撐材料的物理力學(xué)參數(shù)及不同工況下的力學(xué)性能最大增幅見(jiàn)表4。

表4 3 種內(nèi)部支撐材料的綜合對(duì)比分析

由表4 可知：ABS 和PTFE 在理想加載速率下對(duì)薄壁圓管力學(xué)表現(xiàn)的提升最為顯著，其斷裂能增幅均超過(guò)了35%，同樣加載速率下PU 的表現(xiàn)稍差，斷裂能增幅為26.01%。PTFE 密度較大且成本較高；ABS 密度最小，但經(jīng)濟(jì)性差；PU 密度較小，僅為PTFE 的1/2，單位體積價(jià)格約為PTFE 和ABS 的1/3；除此之外，PU 變形能力強(qiáng)，彈性范圍寬，不會(huì)因?yàn)樽冃芜^(guò)大而斷裂，能保持失效管材構(gòu)件的完整性。

綜上，本試驗(yàn)中的3 種柔性內(nèi)部支撐材料，PU 的綜合效能最佳。

3 討論

關(guān)于預(yù)設(shè)內(nèi)部填充管材的研究主要集中在鋼管混凝土的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究，但關(guān)于柔性填充材料對(duì)于管材力學(xué)性能的影響分析少見(jiàn)報(bào)道。本文試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：柔性填充材料能夠使管材的極限強(qiáng)度、延性和斷裂能得到較大幅度的提升，改善了構(gòu)件的斷裂韌性。

3.1 填充材料對(duì)管材力學(xué)性能影響的對(duì)比分析

相關(guān)研究[15-18]表明，在特定的加載速率下支撐效應(yīng)有助于管材抗拉強(qiáng)度和剛度的提升，但均沒(méi)有涉及管材延性和斷裂能的分析。表5 總結(jié)了主要參考文獻(xiàn)中的試驗(yàn)工況和力學(xué)性能增幅的表現(xiàn)，并與本文中PU作為支撐材料時(shí)管材力學(xué)性能的表現(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比。

PU 與混凝土的對(duì)比分析如下。

1）根據(jù)文獻(xiàn)[15-18]管材構(gòu)件的拉伸性能研究，空心鋼管填充混凝土可使極限承載力提升5%～11%，本文研究表明，使用PU 填充可以使管材極限承載力提高8.12%。使用柔性支撐可達(dá)到與使用剛性支撐基本相當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)效果。

2）使用以PU 為代表的柔性支撐時(shí)，在提高極限承載力的同時(shí)，可以顯著提高管材構(gòu)件的極限變形能力；在15 mm·min-1加載速率下，可使管材的伸長(zhǎng)量提高18.78%；管材斷裂能提升26.01%；使用剛性支撐（Q235 圓鋼）時(shí)，管材斷裂能增幅為-22.23%～2.73%，只有在最理想加載速率（15 mm·min-1）下，極限承載力的增加才能勉強(qiáng)彌補(bǔ)延伸率帶來(lái)的不利影響，大多數(shù)情況下，斷裂能大幅降低?；炷恋膹椥阅Ａ恳话銥?5～40 GPa，且變形能力較弱，其作用接近剛性支撐工況，對(duì)管材構(gòu)件韌性應(yīng)有不利影響。

3）從重量方面看，PU 的密度不足混凝土的1/2，更有利于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)；從施工工藝方面看，PU 填充操作簡(jiǎn)便，無(wú)需養(yǎng)護(hù)，適用于裝配式鋼管組合結(jié)構(gòu)；而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)齡期，且加工制造復(fù)雜，對(duì)于場(chǎng)地、設(shè)備的要求較高，綜合成本較高。

本研究提出的一種“管材+柔性填充材料”結(jié)構(gòu)，對(duì)于管材的拉伸極限力學(xué)性能和斷裂韌性提升顯著，且裝配便捷，重量和成本增加不多，非常適合裝配式鋼管組合結(jié)構(gòu)，具有高韌性、簡(jiǎn)捷性、輕量化和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。

3.2 應(yīng)用與啟示

由于內(nèi)部材料的支撐作用，一方面提高圓管的承載力，另一方面使得圓管的延性和斷裂能得到大幅度改善。二者的組合有效地彌補(bǔ)了受拉管材力學(xué)性能的不足，以非常有限成本、重量的增加，充分發(fā)掘了管材力學(xué)性能的潛能，成為一種有效的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式在工程上有很廣闊的應(yīng)用前景。

本次試驗(yàn)研究也引出了幾個(gè)方面的問(wèn)題，值得研究人員進(jìn)一步關(guān)注。

1）試驗(yàn)中僅對(duì)一種規(guī)格的304 不銹鋼管材進(jìn)行了試驗(yàn)研究，沒(méi)有考慮管材的材質(zhì)、長(zhǎng)徑比、厚徑比的影響。

2）本次試驗(yàn)重點(diǎn)研究了內(nèi)部填充材料對(duì)于管材拉伸力學(xué)性能的影響，但對(duì)于彎曲、拉扭、沖擊等復(fù)雜受力工況下管材力學(xué)性能的改善，還有待進(jìn)一步研究。

3）通過(guò)4 種支撐材料的對(duì)比，前文得出了PU 的綜合效能最佳，但PU 的價(jià)格仍較高。尋找彈性模量合適且價(jià)格低廉的內(nèi)部支撐材料，進(jìn)一步降低制造成本，降低結(jié)構(gòu)自重，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題，也是值得研究人員關(guān)注的方向。

4）使用技術(shù)手段使支撐材料與薄壁圓管內(nèi)壁之間形成有效黏結(jié)時(shí)，兩者協(xié)同工作，其力學(xué)性能提升幅度將更大，這是下一步的潛在研究方向。

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了具有不同彈性模量填充材料的薄壁圓管的極限拉伸力學(xué)性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論。

1）由于內(nèi)部填充材料的支撐作用，限制了圓管在拉伸時(shí)向?qū)ΨQ軸的橫向頸縮，顯著提高了被測(cè)試件的極限抗拉承載力、伸長(zhǎng)量和斷裂能。柔性內(nèi)部支撐和薄壁受拉管材形成一種高效的組合結(jié)構(gòu)。當(dāng)加載速率為15 mm·min-1，斷裂模式為中間斷裂模式時(shí)，管材極限抗拉強(qiáng)度最大增幅為10.81%（填充PTFE），伸長(zhǎng)量最大增幅為24.56%（填充ABS），斷裂能最大增幅為35.94%（填充PTFE）。

2）柔性支撐材料能夠顯著改善管材極限拉伸力學(xué)性能。本研究中試驗(yàn)的3 種柔性內(nèi)部支撐材料，PU的綜合效能最佳。使用PU 作為內(nèi)部支撐時(shí)，在重量、成本不顯著增加的情況下，對(duì)應(yīng)15 mm·min-1加載速率的名義極限抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)量、斷裂能分別最大提升8.12%、18.78%、26.01%。

3）輕質(zhì)柔性內(nèi)部支撐相對(duì)于笨重的鋼管混凝土，具有顯著的輕量化和施工便捷性優(yōu)勢(shì)，尤其適用于裝配式組合鋼管結(jié)構(gòu)。本文的研究為改善鋼管組合結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的綜合表現(xiàn)提供了新的技術(shù)路徑，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性、節(jié)約工程建設(shè)成本具有重要意義。