王展光 汪 洋 潘昌仁 李 杰

(凯里学院建筑工程学院,凯里 556011)

0 引 言

多孔泡沫金属材料质量轻,最大孔隙率可以达到90%以上;其具有能量吸收、阻尼减震、降噪、隔热、电磁屏蔽等功能,在汽车、航天、建筑等领域有着十分广泛的应用前景[1-2]。泡沫金属的强度较低,一般作为填充材料与钢管形成组合结构。对泡沫填充组合结构的研究一般集中在对压缩性能和能量吸收[3-7]。屠永清对泡沫铝填充钢管柱性能进行研究,对短柱、长柱的轴压性能进行结构试验和全面的分析,并探讨了泡沫金属对组合构件阻尼性能和滞回性能的影响[8-11]。但对泡沫金属填充钢管柱的火灾前、后扭转性能还没有相关的研究报道。

本文对火灾前、后泡沫铝填充钢管柱进行了静态扭转试验,并与空钢管性能进行比较,分析泡沫铝孔隙率、含钢率、长细比相关参数对泡沫铝填充钢管柱耐火性能的影响。

1 试验研究

1.1 试件设计

为了研究泡沫铝填充钢管构件在火灾后扭转力学性能,本试验制作的试件尺寸为:构件长为126 mm,截面为方形,边长40 mm,试件的长径比L/D=3[8],钢管厚度分别为1.2 mm、2.0 mm、2.5 mm。

泡沫金属采用东南大学超轻金属实验室通过熔体直接发泡法制备的泡沫铝,制备好的泡沫铝采用电火花线切割加工成需要的尺寸。多孔泡沫铝孔隙率Pr为[1]

Pr=1-ρ/ρs

(1)

式中,ρ为多孔泡沫金属的表观密度;ρs为基体材料铝的密度,取2 700 kg/m3;本次实验选取的泡沫铝孔隙率为75%～90%。

钢管是在钢材市场上购买的低碳钢管,将切割好的泡沫铝试样放入空钢管中,制成泡沫铝填充钢管试样,见图1。

图1 空钢管和泡沫铝填充钢管Fig.1 Photos of hollow steel tube and aluminum foam-filled steel tube

1.2 测试内容及试验加载

对厚度为2 mm的钢管按照国家标准试验方法进行拉伸试验,实测钢材的屈服强度为245.3 MPa,极限强度为405.3 MPa。泡沫铝试验样品用电火花线切割加工成直径为20 mm、高度为30 mm的压缩试样,在SS-2202型万能实验机进行压缩,测得压缩屈服强度在2.85～11.3 MPa。

组合构件加热使用的是课题组定制的上海意丰电炉公司生产的加热电炉,相关参数为:使用温度1 000 ℃,炉膛尺寸650 mm×650 mm×1 050 mm (W×L×H),炉体形式为立式开启式;温控形式为SSR可编程30段程序仪表;温控点数为3点;控温精度≤±1.5 ℃;炉膛材质为1 400/300纤维制品;加热元件为电阻丝(陶瓷管搁置)。

将试件放入实验炉中,按照图2中的实验升温曲线(a)模拟火灾情况,进行加热;实验结束后待自然冷却后,将试件取出,进行扭转试验。

扭转实验在济南恒思盛大仪器有限公司电子扭转试验机(NDW2000)上进行;矩形截面扭转夹具为实验课题组委托模具加工厂进行定制;荷载一位移曲线由IMP数据采集系统进行采集。对试件采控制位移的方法进行加载,加载速度为1°/ min。

2 结果与讨论

2.1 实验现象及分析

根据《建筑构件耐火试验方法》的规定,火灾试验的炉内升温过程按照国际标准IS0834升温曲线进,其方程为

T-T0=3 45lg(8t+1)

(2)

式中,T为火场温度;T0为环境的初始温度,本次实验T0=10 ℃;t为升温时间,min。

由于电炉在早期升温速度较慢,很难达到标准升温曲线的速率,所以在实际耐火试验中采用图2中的曲线(b),与标准升温曲线有一定的差异。升温曲线结束后,待其自然冷却至室温。

图2 升温曲线Fig.2 The heating curve

2.1.1试件高温加热后现象

在高温加热过程中,其加热温度达到1 000 ℃,钢管表面呈蓝色,表面碳化严重,并且有局部氧化层脱落现象,见图3。

铝的熔点为660.4 ℃,在温度达到1 000 ℃,部分泡沫铝孔隙在高温情况下发生坍塌,表现为钢管内填充的泡沫铝发生了收缩现象,而且孔隙率越大收缩越明显。泡沫铝孔隙率为87.7%时,收缩长度为18.4 mm,收缩比例为14.6%;孔隙率为80.44%时,收缩长度为10.6 mm,收缩比例为8.4%;孔隙率为73.4%时,收缩长度为3.2 mm,收缩比例为2.4%。

图3 试件高温后的形态Fig.3 The figure of the steel tube after fire

2.1.2扭转实验现象及分析

方形截面扭转夹具为实验课题组委托模具加工厂进行定制,内径为40 mm×40 mm。将制作好的试件进行扭转实验。

空钢管和泡沫铝填充钢管柱在扭矩作用下发生变形,在扭转角度很小时,外层钢管表面的碳化层开始发生脱落现象,随着扭转变形的增大,脱落的现象越明显,见图4。

图4 泡沫铝填充钢管的破坏形态Fig.4 Photos of aluminum foam-filled Steel Tube after failure

2.2 火灾后空钢管扭转性能

空钢管火灾前、后扭矩-扭转角曲线见图5,从图中可以看出空钢管火灾后的扭矩-扭转角曲线与火灾前相似,可以分为弹性扭转阶段、屈服强化阶段和下降阶段三个阶段。

相对于火灾前空钢管的扭转,火灾后其弹性阶段较短,受热前屈服扭矩为极限扭矩0.8倍左右,弹性阶段扭转角大约为15°;而火灾后,屈服扭矩约是极限扭矩的1/2,扭转角约为5°。

图5 火灾后空钢管的扭矩-扭转角曲线Fig.5 The uniaxial torsional curves of the hollow steel tube after fire

火灾后的钢管的屈服强化阶段较长,其屈服强化阶段从5°～20°,跨度为15°,而火灾前的钢管屈服强化阶段跨度为5°,表明高温后钢管的屈服阶段的变形能力增强;同时钢管高温后极限强度有非常明显的降低,约为受热前的1/3。厚度2.5 mm的钢管受热前的极限强度为506.3 N·m,火灾后为167.82 N·m;钢管厚度2.0 mm的受热前的极限强度为451.8 N·m,高温后极限强度151 N·m。

2.3 火灾后泡沫填充钢管柱扭转性能

泡沫填充钢管柱火灾前、后扭矩-扭转角曲线见图6,从图中可以看出火灾前泡沫填充钢管柱的扭转图可以分为弹性扭转阶段、屈服平台阶段、强化阶段和下降阶段四个阶段。泡沫填充钢管柱火灾后的扭矩-扭转角曲线与高温前扭矩-扭转角曲线有一定区别,火灾后泡沫填充钢管柱屈服平台阶段很长,且没有明显的强化阶段。

图6 火灾后泡沫铝填充钢管的扭矩-扭转角曲线Fig.6 The uniaxial torsional curves of aluminum foam-filled steel tube after fire

从图8可以看出,泡沫铝填充钢管柱高温后极限强度相对于受热前有非常明显的降低,钢管厚度2.5 mm、填充泡沫铝的孔隙率为90.37%的泡沫铝填充钢管柱,其受热前的极限强度为532.1 N·m,而与之相近孔隙率的泡沫铝填充钢管柱受热后极限强度为283.4 N·m;钢管厚度1.2 mm、填充泡沫铝的孔隙率为86.7%泡沫铝填充钢管柱受热前的极限强度为415 N·m,与之相近孔隙率的泡沫铝填充钢管柱高温后极限强度167.6 N·m。

从图5和图6比较可以看出,填入泡沫的钢管与空钢管在受火前,扭转性能就存在差异,但在屈服前,扭转刚度以及承载力是相近的。这是由于在线弹性扭转阶段,泡沫金属的强度只在2.85～11.3 MPa,而且泡沫金属变形能力比较强,在开始变形很小的情况下,主要是外层的钢管在抵抗扭矩,泡沫金属抵抗扭矩的效果有限,而随着变形的增大,泡沫铝和钢管之间相互作用不断增强,泡沫铝阻止外层的钢管继续变形,这时填充泡沫铝在抵抗扭转中发挥越来越重要的作用。

空钢管柱、泡沫铝填充钢管火灾前后扭转破坏形态见图7,从图中可以看出,空钢管、泡沫铝填充钢管受热前后的扭转形态相似,扭转实验最后其扭转角度已经较为明显。

图7 火灾后钢管的扭转破坏形态Fig.7 Photos of Steel Tube’s torsional failure after failure

火灾前后泡沫铝填充钢管扭转最终形态见图8。从图8可以看出,在扭转实验中,泡沫铝填充钢管柱由于实验扭转角度过大,部分试样的钢管已经发生了扭转破裂,而高温后的泡沫铝填充钢管柱虽然扭转变形已经十分明显,但并没有发生钢管的破裂,说明经过高温后,虽然强度降低,但泡沫铝填充钢管柱的塑性变形能力更强。

图8 泡沫铝填充钢管的破坏Fig.8 Photos of aluminum foam-filled steel tube after failure

2.4 泡沫金属对泡沫铝钢管柱抗火扭转性能的影响

钢管厚度为1.2 mm的空钢管和泡沫填充钢管柱高温后的扭转曲线见图9。从图中可以看出,填充泡沫铝对高温后钢管柱扭转承载能力、变形能力有显著改善。

填充泡沫铝改善了钢管的扭转变形曲线,从图中,受热之后空钢管在扭转角为20°左右时,扭矩到达峰值,之后扭矩随着扭转角的增大迅速下降;而泡沫铝填充钢管在达到屈服平台阶段后,出现了明显平台阶段,在扭转角达到90°左右时,承载力依然没有出现明显的下降,说明高温后泡沫铝填充钢管柱扭转性能要远优于空钢管。这是由于随着泡沫铝填充钢管柱扭转变形的增大,泡沫铝和钢管之间相互作用不断增强,泡沫铝阻止外层的钢管继续变形,从而阻止泡沫铝填充钢管柱承载能力的不断下降。

图9 火灾后空钢管和泡沫铝填充钢管高温后的扭矩-扭转角曲线对比图Fig.9 The uniaxial torsional curves of hollow steel tube and aluminum foam-filled steel tube after fire

泡沫铝提高了钢管的抗扭极限承载力,高温后空钢管的抗扭极限承载能力为122.3 N·m,填充孔隙率为87.8%的泡沫铝填充钢管柱的极限承载力为166.1 N·m,填充孔隙率为73.4%的泡沫铝的填充钢管柱的极限承载力为190.6 N·m,填充泡沫铝提高了钢管的抗扭能力,且孔隙率越低提高的承载力越高。

2.5 含钢率对泡沫铝钢管柱抗火扭转性能的影响

泡沫铝填充钢管柱的含钢率α为

α=As/Af

(3)

式中,As为外层钢管截面面积;Af为填充泡沫铝的面积比,本次实验构件的含钢率分别为30.6%、23.5%和13.2%。

孔隙率为90%左右泡沫铝不同含钢率填充钢管柱抗火的扭转曲线见图10。从图中可以看出,不同含钢率泡沫铝填充钢管柱的扭转曲线相似,其极限抗扭承载强度随着含钢率的增大而增大。

图10 火灾后含钢率与和抗扭极限承载力的关系Fig.10 The relationship between ultimate torsional strength and the ratio of steel

含钢率与泡沫铝填充钢管柱极限抗扭承载强度的关系见图11,泡沫铝填充钢管柱约为火灾后极限抗扭承载强度的约为火灾前的1/2。

图11 含钢率与和抗扭极限承载力的关系Fig.11 The relationship between ultimate torsional strength with ratio of steel

3 结 论

通过对空钢管柱和泡沫铝填充钢管柱的抗火扭转实验结果分析可以得出以下结论:

(1) 高温后,泡沫铝填充钢管柱中填充泡沫铝出现收缩塌陷,表面钢管氧化层出现明显的脱落现象,而且在扭转实验中,其碳化层伴随着实验的进行不断发生脱落。

(2) 火灾后泡沫填充钢管柱屈服平台阶段很长,且没有明显的强化阶段,承载能力显著下降,约为火灾前的1/2。

(3) 相对于空钢管,火灾后泡沫铝填充钢管柱的承载能力和变形能力都有显著提高。

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