填充不銹鋼管和空鋼管在軸壓荷載下的力學(xué)特性和耗能對比分析

   浙江至德鋼業(yè)有限公司采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫采用自發(fā)泡方式填充，將多元醇和多異氰酸酯混合物注入一端封口的1.5米長不銹鋼管中，然后將注入端封口，自然發(fā)泡完成得到試驗所用短柱試件，試件總長度為150mm，其中50mm為錨固用長度，計算長度為100mm。填充不銹鋼管截面見圖。設(shè)計密度為300kg/m3，薄壁圓鋼管采用304不銹鋼管，鋼管壁厚選用1.5mm、2.0mm和2.5mm 3種尺寸。在進(jìn)行靜力軸壓試驗之前，首先開展了相關(guān)材料的材性試驗，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8813—2008的要求，制取100mm×100mm×50 mm的長方體材性試塊，進(jìn)行單軸靜力壓縮試驗，加載速度選用2mm/min，得到的單軸壓縮試驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線見圖。

一、軸壓試驗

 1. 試件設(shè)計及試驗方案

   為研究填充不銹鋼管和空鋼管在軸壓荷載下的力學(xué)特性和耗能能力，考慮不同徑厚比對填充不銹鋼管短柱構(gòu)件耗能能力的影響，共加工了3根填充圓鋼管和3根空鋼管進(jìn)行軸壓試驗，軸壓試件尺寸見表．試件編號中的A、B、C分別表示鋼管壁厚為1.5mm、2.0mm、2.5mm。

軸壓試驗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，軸向位移和荷載數(shù)據(jù)通過試驗機(jī)系統(tǒng)自動采集，試驗過程中為固定試件，采用圖所示的夾具對短柱試件進(jìn)行錨固，試驗裝置見圖。采用位移控制加載的方式，加載速率選用2mm/min。

  2. 試驗現(xiàn)象及分析

   試件軸壓變形模式見圖，不銹鋼管均發(fā)生了不同程度的非對稱的疊縮變形，隨著壁厚的增加，變形模式逐漸趨于對稱疊縮．而填充管則一律發(fā)生了對稱的疊縮變形。研究表明，薄壁不銹鋼管件的力學(xué)性能和吸能特性與其變形模式密切相關(guān)，而薄壁不銹鋼管短柱的軸壓變形模式，主要與薄壁鋼管的初始缺陷有關(guān)，壁厚越薄，在相同的制造誤差和運輸條件下造成的缺陷就越明顯;當(dāng)填充聚氨酯泡沫后，能夠有效改善薄壁圓鋼管的軸向壓縮變形模式，使構(gòu)件趨于對稱疊縮變形，說明聚氨酯泡沫作為芯體填充到薄壁構(gòu)件中能夠有效地改善薄壁管件因初始缺陷對其力學(xué)性能的影響。

  不銹鋼管和填充管的軸壓荷載－位移曲線見圖，同壁厚的不銹鋼管和填充管的彈性段斜率一致，說明在彈性段，填充管承受的荷載主要由外部薄壁鋼管承擔(dān)，隨著軸向位移的增大，鋼材發(fā)生屈服，不銹鋼管的荷載－位移曲線斜率迅速減小，荷載達(dá)到極限荷載，在這個階段填充管的荷載－位移曲線斜率大于空鋼管，此時，軸壓荷載由外部薄壁鋼管和內(nèi)部填充的硬質(zhì)聚氨酯泡沫共同承擔(dān)，填充管的首個峰值承載力高于對應(yīng)壁厚的空鋼管;軸向位移進(jìn)一步增大，鋼管發(fā)生疊縮變形，空鋼管發(fā)生非對稱疊縮變形時，疊縮段荷載下降到遠(yuǎn)低于極限承載力的水平，且波動較小，而當(dāng)變形模式趨近對稱疊縮變形時，疊縮段荷載波動較大，填充管的變形模式均為對稱疊縮變形，此階段隨著變形的增大，聚氨酯泡沫逐步壓縮密實，承載能力逐步提高，對構(gòu)件整體承載力貢獻(xiàn)逐步增強，最后疊縮段的峰值荷載有超過首個峰值荷載的趨勢。

二、數(shù)值模擬

 1. 有限元模型

   采用模擬薄壁不銹鋼管和填充薄壁圓鋼管構(gòu)件的軸壓過程，圖為試件的軸壓數(shù)值模型，共分三部分:軸壓試件、頂部加載板和底部剛性板。采用4節(jié)點縮減積分薄殼單元對薄壁不銹鋼管進(jìn)行單元劃分，內(nèi)部聚氨酯泡沫采用8節(jié)點縮減積分實體單元，上下剛性板均采用單元，并通過在剛性板上設(shè)置參考點，進(jìn)行荷載和約束的施加，不銹鋼管的單元尺寸均選用2mm，上下剛性板的網(wǎng)格尺寸為5mm。

  簡化處理底部夾具，考慮為試件底部與底部剛性板固接，不銹鋼管間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為1.5以防止側(cè)向的滑移．通過通用接觸設(shè)置其它部分的摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2。軸壓加載采用位移加載的方式，通過控制頂部加載板的豎向位移進(jìn)行加載，底部剛性板設(shè)置固接約束．鋼管的材料本構(gòu)模型選用各項同性彈塑性模型，材料參數(shù)由鋼材的單軸拉伸試驗獲得。而材料則采用提供的基于體積硬化的可壓縮泡沫材料模型來描述其壓縮行為，軸壓分析之前先進(jìn)行了構(gòu)件的屈曲分析，并通過其1階模態(tài)對構(gòu)件施加初始缺陷，缺陷大小定義為鋼管壁厚的2%。

  2. 仿真結(jié)果驗證

   以壁厚1.5mm的填充管與不銹鋼管為例，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的變形模式對比見圖。為更加直觀地對比仿真結(jié)果與試驗的變形模式，試驗照片只截取了試件的試驗段長度部分．空鋼管與填充圓鋼管的仿真變形模式與試驗結(jié)果吻合良好。以壁厚1.5mm的空鋼管與填充管為例，仿真結(jié)果的荷載－位移曲線與試驗結(jié)果對比見圖，表為平均壓縮荷載的數(shù)值結(jié)果和試驗結(jié)果對比，除試件由于試驗過程中發(fā)生整體失穩(wěn)，誤差較大，其他試件的數(shù)值計算誤差均在10%以內(nèi)．可看出該數(shù)值模型的仿真結(jié)果，總體上與試驗結(jié)果吻合良好，可用于模擬此類試件的軸壓過程。

 3. 參數(shù)分析

   為研究幾何參數(shù)管徑、壁厚及試件高度等因素對填充不銹鋼管短柱構(gòu)件軸壓耗能特性的影響，通過上節(jié)提出的有限元模型對以上參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果給出了各參數(shù)對平均壓縮荷載的影響。隨著管徑和壁厚的增大，試件的平均壓縮力均不斷增大，與管徑和壁厚均呈正比關(guān)系。當(dāng)高度在300mm以下時，平均壓縮荷載波動較小，當(dāng)高度大于300mm時，發(fā)現(xiàn)試件的平均壓縮力隨試件高度的增大呈反比關(guān)系快速下降，這是由于當(dāng)試件高度大于300mm時，構(gòu)件在軸壓荷載作用下發(fā)生了整體失穩(wěn)破壞，不再適宜作為耗能構(gòu)件使用。

 4.平均壓縮力預(yù)測公式

    浙江至德鋼業(yè)有限公司對軸向壓縮荷載下薄壁管構(gòu)件和泡沫材料填充方管構(gòu)件的平均壓縮力公式進(jìn)行理論研究，提出了相應(yīng)的理論公式。本文參考上述研究成果，基于能量方法，對填充不銹鋼管短柱構(gòu)件在軸壓荷載作用下的平均壓縮力公式進(jìn)行推導(dǎo)。由上述公式計算得到的試驗中各試件的平均壓縮力與由試驗數(shù)據(jù)得到平均壓縮力以及部分?jǐn)?shù)值模擬得到的結(jié)果對比見表。其中數(shù)值模擬部分試件為例，表示試件的管徑為80mm，壁厚2.0mm，高度100mm。上述結(jié)果表明，通過理論計算得到的平均壓縮荷載與試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果均吻合良好，證明了平均壓縮力公式的正確性和適用性，可以用于指導(dǎo)不銹鋼管構(gòu)件在工程中的設(shè)計應(yīng)用。

三、結(jié)論

   浙江至德鋼業(yè)有限公司開展了硬質(zhì)聚氨酯泡沫填充薄壁圓鋼管短柱構(gòu)件的靜力軸壓試驗，提出了較為準(zhǔn)確的有限元仿真建模方法，并進(jìn)行了平均壓縮力預(yù)測公式的推導(dǎo)，主要結(jié)論如下:

   1. 本文提出的填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫能夠有效改善建筑薄壁不銹鋼管在軸壓荷載作用下的變形模式，使構(gòu)件趨于對稱疊縮變形。

   2. 硬質(zhì)聚氨酯泡沫填充圓鋼管構(gòu)件較空鋼管的軸壓首個峰值荷載及各項吸能指標(biāo)都有了較大幅度的提升，且壁厚越薄，提升幅度越大。

  3. 采用體積硬化的可壓縮泡沫本構(gòu)模型，建立了構(gòu)件的軸壓數(shù)值仿真模型，能夠準(zhǔn)確模擬其軸壓過程．參數(shù)分析結(jié)果表明填充不銹鋼管耗能能力隨壁厚和管徑的增大而增大。

  4. 基于能量關(guān)系，推導(dǎo)了硬質(zhì)聚氨酯泡沫填充薄壁圓鋼管的軸壓平均壓縮力預(yù)測公式，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果與數(shù)值模擬均吻合良好。