鋼-聚氨酯組合管柱軸壓性能試驗

米旭峰朱海玲杭振園

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建廈門 361024;2.江蘇科技大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

鋼-聚氨酯組合管柱軸壓性能試驗

米旭峰1,朱海玲2,杭振園2

(1.廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建廈門 361024;2.江蘇科技大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

基于13個鋼-聚氨酯復(fù)合管試件的軸壓試驗,研究聚氨酯在鋼復(fù)合管中的應(yīng)用。結(jié)果表明,在承受軸向壓力下,鋼-聚氨酯復(fù)合管軸壓試件破壞時呈多折腰鼓形;鋼管發(fā)生局部屈曲后,受到聚氨酯材料的約束可以有效延緩試件屈曲發(fā)生時間與變形程度;整個加載過程,聚氨酯與鋼材的黏結(jié)性能良好,兩者未發(fā)生剝離現(xiàn)象。從試件荷載-位移曲線以及試驗過程可得:荷載-位移曲線一般由彈性、彈塑性、下降和強化階段組成,表明復(fù)合管具有很好的延性與強度儲備,能有效抵抗地震等動力荷載的作用。隨著L/D的減小,試件的極限荷載有增大的趨勢,但是其增幅不明顯。套箍系數(shù)ξ是影響試件性能的重要因素,當(dāng)ξ值提高時試件承載力會明顯提高;反之亦然。

鋼-聚氨酯復(fù)合管;軸壓性能;鋼管長徑比;套箍系數(shù)

各類新型功能材料的不斷涌現(xiàn)為新結(jié)構(gòu)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。其中,在20世紀(jì)90年代中,Intelligent Engineering公司(簡稱IE公司)研制成功高性能聚氨酯材料,該材料具有良好的黏結(jié)性能,并與混凝土材料有類似的施工方式,但其硬化時間不超過7 min;同時,對于與其組合的鋼板只需進行簡單的除銹處理便可應(yīng)用于實際工程中?；谶@些獨特優(yōu)勢,該材料被迅速引入船舶、海洋、土木等工程。目前,勞氏船級社與中國船級社已先后推出相關(guān)的船舶結(jié)構(gòu)建造指南[1-2],從而實現(xiàn)了該材料在船舶工程中的應(yīng)用。

鋼-聚氨酯復(fù)合構(gòu)件,是通過將鋼材與聚氨酯彈性芯材澆注黏結(jié)而形成[3-8],其各項力學(xué)性能要優(yōu)于鋼材或聚氨酯,其常見的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。在過去的20年中,IE公司[9]進行了大量的聚氨酯材性試驗,掌握了這種新型聚氨酯材料的本構(gòu)與黏結(jié)力模型。試驗結(jié)果顯示,聚氨酯材料具備基本相同的抗拉與抗壓性能,其屈服強度一般在20 MPa左右(隨著配方調(diào)整,強度會有一定范圍的變化);其剪切強度達到25 MPa以上,與鋼材的黏結(jié)剪切強度在14 MPa以上,表明該材料具備良好的力學(xué)性能。同時,聚氨酯材料具有自重輕(密度不到鋼材的1/7)、受拉延伸率可達50%以上、能有效抵抗強酸與強堿腐蝕、抗沖擊性能優(yōu)越等特點。

目前,這種高性能聚氨酯材料僅在船舶、海洋平臺、橋梁等結(jié)構(gòu)修復(fù)維護中使用,在傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究尚未全面開展。因此筆者通過13個試件研究鋼管聚氨酯柱軸壓性能,研究聚氨酯材料與鋼管在軸力作用下的共同工作機理、變形方式以及破壞模式,為該結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ)。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有鋼管混凝土柱研究成果可知,通常建議采用的鋼管長徑比(L/D)為3.0～3.5,而其軸壓性能的主要影響因素為套箍系數(shù)ξ與含鋼率θ[10-15]。因此,本次試驗的鋼管聚氨酯柱的L/D取為3.0～3.5,試件的基本數(shù)據(jù)見表1,其中t為管壁厚度。

試件采用2種型號的無縫鋼管,直徑分別為45 mm(7個)、48 mm(6個);聚氨酯為高性能結(jié)構(gòu)用聚氨酯(密度為1200 kg/m3)。管內(nèi)聚氨酯采用機械攪拌灌注同時進行,在灌注聚氨酯之前對鋼管內(nèi)壁采取噴砂處理,使管壁表面達到Sat2.5級,以達到聚氨酯灌注的鋼板處理工藝要求。

1.2 材料性能試驗

a.鋼材。根據(jù)GB/T 228—2002,對于鋼管采取全壁厚縱向弧形試樣,試件長3 mm、寬10 mm,采用CMT5105微機控制電子萬能試驗機加載,見表2。

b.聚氨酯。根據(jù)GB/T 1453—2005,聚氨酯材料壓縮性能試驗采用高30mm、直徑20mm的圓柱體聚氨酯試件7個,并進行打磨處理,保證表面光滑。采用CMT5105微機控制電子萬能試驗機進行軸向壓縮試驗。試驗結(jié)果表明聚氨酯的平均拉伸彈性模量為849.36 MPa,屈服強度為29.07 MPa,見表3。

聚氨酯材料拉伸性能試驗采用直徑3mm、高度為6mm的聚氨酯試件4個,在CMT5105微機控制電子萬能試驗機上完成。試驗在試件兩端施加拉力,聚氨酯的平均拉伸屈服強度為30.09 MPa(表4)。

由表3和表4可以看出,聚氨酯的壓縮與拉伸平均屈服強度分別為29.07 MPa與30.09 MPa,可視為各向同性材料;同時,聚氨酯的拉伸率平均為89%,表明這種材料具備很好的延性。

1.3 鋼-聚氨酯復(fù)合管試驗加載方式

鋼管聚氨酯柱試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機YNS-1000,最大加載值1000 kN。為滿足試件兩端鉸接,在加載端與底部設(shè)置球鉸(圖2)。試驗中采用位移計測量試件的軸向變形,并在試件中部設(shè)置應(yīng)變片測量軸向應(yīng)變。為保證構(gòu)件處于軸壓狀態(tài),通過預(yù)加載檢查應(yīng)變片讀數(shù),如發(fā)生偏心則調(diào)整構(gòu)件位置直到預(yù)加載時應(yīng)變片讀數(shù)基本一致,確保構(gòu)件為軸壓狀態(tài)。試驗采用力控制與位移控制2種方式組合,在構(gòu)件屈服之前采用分級荷載控制,而到構(gòu)件屈服時改為位移加載控制。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗過程

以試件SP1為例,主要試驗過程分為4個階段。

a.彈性階段:試件在此階段。軸向荷載-變形基本呈線性變化,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線亦為線性關(guān)系,構(gòu)件此時沒有看出明顯的變化,但應(yīng)變片顯示應(yīng)力不斷增加。

b.彈塑性階段:此階段鋼管的部分材料應(yīng)力進入彈塑性階段,因此構(gòu)件的軸壓彈性模量不斷減小,而由于聚氨酯的彈性模量小,在與鋼管相同的變形下仍處于彈性階段,導(dǎo)致鋼管與聚氨酯之間內(nèi)力重分布,鋼管受力減小,聚氨酯受力增加;隨著聚氨酯變形增加,鋼管對聚氨酯的約束力(即套箍作用力)增加;鋼與聚氨酯良好的黏結(jié)能力可保證兩者共同工作。此時,鋼管外表面開始有鐵銹皮剝落,試件整體外形呈鼓形,中部鋼管截面明顯增加;同時,應(yīng)變片顯示鋼材開始進入屈服階段,試件的荷載變形曲線斜率下降,整體呈現(xiàn)明顯的非線性。

c.下降段:當(dāng)試件達到極限荷載后,其中鋼管的應(yīng)力不再增加,而塑性變形快速發(fā)展;隨著試件變形的增加,聚氨酯材料承擔(dān)的外荷載增加,表現(xiàn)為試件中部聚氨酯材料的橫向變形迅速增大,因而鋼管中的環(huán)向應(yīng)力逐漸增大,其套箍作用明顯;當(dāng)試件荷載達到極限荷載后,鋼管承受軸向荷載逐漸減小,軸向應(yīng)力進行塑性重分布,聚氨酯材料承受的豎向荷載增加。由于聚氨酯與鋼材表面黏結(jié)性能很好,兩者在加載的整個過程不發(fā)生剝離,所以聚氨酯材料很好地發(fā)揮了其性能。在外鋼管的約束下,聚氨酯呈現(xiàn)三向受壓狀態(tài),其承載能力進一步提高,因此復(fù)合管試件的承載力下降段曲線平緩,承載能力下降幅度低,近似一個屈服平臺。此時,復(fù)合管試件外形逐漸鼓曲,鋼管壁出現(xiàn)褶皺,表現(xiàn)為鋼管的局部屈曲。

d.強化階段:隨著鋼管屈曲變形的增加,鋼管管壁發(fā)生屈曲,此時聚氨酯開始抑制鋼管的平面外變形,聚氨酯與鋼管開始共同工作;由于聚氨酯材料與鋼管具備極強的黏結(jié)能力,聚氨酯的延性得以發(fā)揮,并在整個過程中2種材料的變形保持一致。因此,試件的截面積在壓力作用下變大,鋼管的套箍作用進一步發(fā)揮,試件的承載能力有一定幅度提高。以SL系列為例,當(dāng)其縱向變形達到20%時,荷載-位移曲線會繼續(xù)上升,在達到新的峰值點時才再次下降。在此階段各類復(fù)合管外形已經(jīng)嚴(yán)重皺曲(圖3),但鋼管與聚氨酯并沒有明顯的分離,表明該構(gòu)件具備很好的延性與強度儲備,能有效抵抗外荷載作用。

2.2 現(xiàn)象分析

試驗結(jié)果表明,鋼-聚氨酯復(fù)合管軸壓試件具有良好的承載能力和變形能力,破壞前可以有很大的壓縮量,能夠通過塑性變形吸收大量能量,從而保障結(jié)構(gòu)的安全性,即具有良好的抗震能力。試驗中,試件沒有脆性破壞的特征,也沒有發(fā)生由于鋼管局部失穩(wěn)而引起的破壞,鋼管和聚氨酯之間沒有出現(xiàn)瞬間滑移、脫離剝落的現(xiàn)象。對于長徑比在3.0～3.5范圍內(nèi)的短柱試件,其破壞是由于鋼材達到屈服后試件變形過大所致。

2.3 荷載-變形曲線

圖4為試件試驗實測的荷載-變形曲線(圖中N為軸向力,εc為鋼管應(yīng)變),從圖中可以看出,鋼-聚氨酯復(fù)合管相對空鋼管不但承載力有較大提高,對鋼管局部屈曲也有很大改善,與鋼管混凝土相比,自重輕、延性好,具體表現(xiàn)為:極限變形能力增大,達到極限荷載后承載力開始下降,但是下降幅度相當(dāng)小。可以看出,整個鋼-聚氨酯復(fù)合管試件的工作過程可分為4個階段,這與前文中的試驗描述一致。

2.4 套箍系數(shù)ξ的影響

套箍系數(shù)主要是復(fù)合管中鋼材與聚氨酯組成材料之間面積強度的比值,ξ表達式為

式中:As、fy——鋼管的截面積與鋼材屈服強度;Ap、fp——聚氨酯的截面積與屈服強度。

由于試件在受力過程中鋼管對聚氨酯具有套箍作用,其套箍作用主要體現(xiàn)為:當(dāng)鋼管進入屈服階段,聚氨酯的橫向變形迅速增大,超過鋼管的橫向變形,而鋼管能有效地約束這種膨脹,從而使聚氨酯處于三向受力狀態(tài),強度得以大幅度提高。相同強度的聚氨酯,隨著ξ的不同,鋼-聚氨酯復(fù)合管的荷載-變形曲線也不同,ξ值越大,試件承載力提高越多;反之則較小(圖4)。

對于相同形狀截面的鋼-聚氨酯復(fù)合管,ξ可以反映組成鋼-聚氨酯復(fù)合管截面的鋼材及其聚氨酯的幾何特性和物理特性參數(shù)的影響,ξ越大,表明鋼材所占比重大,聚氨酯的比重相對較小;反之,ξ越小,表明鋼材所占比重小,聚氨酯的比重相對較大。ξ對鋼-聚氨酯復(fù)合管性能的影響主要表現(xiàn)在:ξ越大,在受力過程中鋼管對聚氨酯提供足夠的約束作用,聚氨酯強度和延性的增加相對較大。因此,增大ξ可以提高鋼-聚氨酯復(fù)合管構(gòu)件的承載力。

3 結(jié) 語

通過研究,可知聚氨酯作為一種高性能材料具備良好的力學(xué)性能。而采用聚氨酯材料的鋼-聚氨酯復(fù)合管是一種新型的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件,它利用鋼管和聚氨酯2種材料在受力過程中的相互作用,即鋼管對聚氨酯的套箍作用,使聚氨酯處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)之下,從而使聚氨酯的強度得以大幅度提高;同時,聚氨酯的存在可有效延緩鋼管過早地發(fā)生局部屈曲。2種材料組合在一起,不僅使各自的特性達到充分發(fā)揮,同時組成的新結(jié)構(gòu)體系也具有優(yōu)越的力學(xué)性能。

在試驗研究結(jié)果基礎(chǔ)上,得出如下結(jié)論:

a.本文采用的鋼-聚氨酯復(fù)合管軸壓試件,在承受軸向壓力下,其破壞時呈多折腰鼓形;試件在鋼管發(fā)生局部屈曲后,受到聚氨酯材料的約束可以有效延緩屈曲發(fā)生時間、減小變形程度。在整個過程中,聚氨酯與鋼材的黏結(jié)性能良好,兩者未發(fā)生剝離現(xiàn)象,達到了共同工作的目標(biāo)。

b.試件荷載位移曲線以及試驗過程表明,試件曲線一般由彈性、彈塑性、下降段和強化階段組成,表明復(fù)合管有著很好的延性與強度儲備。

c.在L/D＜4的范圍內(nèi),隨著L/D的減小,試件的極限荷載有增大的趨勢,但是其增幅不明顯。

d.ξ是影響試件性能的重要因素,當(dāng)ξ值提高時試件承載力會明顯提高;反之亦然。

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Experimental research on axial compression behavior of steel-polyurethane composite tube

MI Xufeng1,ZHU Hailing2,HANG Zhenyuan2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China; 2.School of Civil Engineering and Architecture,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China)

Experiments on axial compression behaviors of 13 steel-polyurethane composite tube(SPCT)specimens were conducted to study the application of polyurethane to steel composite tubes.The results show that,under the axial compression,the SPCT was shaped like a bow drum.When local buckling occurred in the steel tube, polyurethane could effectively delay the buckling and deformation.Over the whole loading process,the bonding performance between polyurethane and steel was so good that peeling did not occur.It can be seen from the loaddisplacement curve and test process that the load-displacement curve is generally composed of elastic,elasticplastic,descending,and strengthening phases,indicating that the SPCT has sound ductility and a reserve of strength to resist dynamic loads such as earthquakes.With the decrease ofL/D,the limiting load of the specimen had an increasing trend,but the trend was not significant.The confining parameterξis an important factor influencing the specimen.Whenξincreased,the specimen's carrying capacity increased significantly,and vice versa.

steel-polyurethane composite tube;axial compression behavior;length-diameter ratio of steel tube; confining parameter

TU398+.9

:A

:1000-1980(2014)04-0337-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.04.010

2013-05 24

國家自然科學(xué)基金(51108212);福建省自然科學(xué)基金(2012J01240)

米旭峰(1977—),男,河北平山人,副教授,博士,主要從事新型組合結(jié)構(gòu)研究。E-mail:mixf@xmut.edu.cn