填充材料對受拉弦桿構件的極限性能影響分析

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.中國人民解放軍73049 部隊，江蘇 蘇州 215101；3.中國人民解放軍32136 部隊，河北 張家口 075499）

管材構件在航空航天、海洋平臺、輸電設施、能源化工及交通運輸?shù)阮I域有廣泛的應用前景。在中國工程院發(fā)布的《全球工程前沿2022》中，“極端環(huán)境下工程減災機理與防控”“高效吸能復合結構的耐沖擊性能”被評為土木、水利與建筑工程領域Top10 工程研究前沿。隨著管形構件在工程領域中的應用越來越廣泛，對于管材的技術指標提出了更高的要求。在組合結構中，受拉是鋼管的常見受力狀態(tài)。在結構管材服役過程中，當遇到地震、爆炸、撞擊及冰雪災害等極端工況時，會因承受過大拉伸載荷而導致強度失效，其破壞過程往往是一個復雜的變形破壞過程。因此，管材在特定工況下的極限力學性能研究成為工程設計人員關注的重要問題。

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

由于管材特殊的中空結構，其在縱向拉伸時會發(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性能沒有得到充分發(fā)揮。而設置內(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，使得整個管段變形更加均勻，從而提升了管材的整體力學表現(xiàn)。因而，探究內(nèi)部填充材料對于管材力學性能的影響對于準確描述和改善管材力學表現(xiàn)有重要指導作用。

對于內(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)部預置填充材料的管材拉伸性能研究相對較少，主要集中于鋼管混凝土的拉伸性能試驗。Han 等[15]對18 份鋼管混凝土試件在軸向受拉作用下的受力機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土試件的抗拉強度由于填充混凝土而提高了11%左右，并提出了預測拉伸強度的簡化公式；Zhou 等[16]對軸向受拉下的矩形鋼管混凝土試件的力學行為進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)該試件的抗拉強度平均比空心管高5.2%；Ye 等[17]對不銹鋼鋼管混凝土偏心受拉構件的力學行為進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)了混凝土填充體與外不銹鋼管有效配合，可使其抗拉強度比相應的空心不銹鋼管提高5%～10%；Li 等[18]對于雙層鋼管混凝土構件進行了偏心拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)試件的初始剛度相對于空心鋼管有較大提高，極限抗拉強度隨偏心量的增大而減小。通過有關學者關于各型鋼管混凝土的拉伸試驗研究，可以得出，混凝土填充體對于提高鋼管的抗拉強度有重要作用，但對于鋼管延性、斷裂能的分析則少見報道。

本研究對薄壁圓管進行了單軸拉伸斷裂試驗，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度、伸長量和斷裂能，并與空管拉伸結果進行了對比。在此基礎上，分析了柔性內(nèi)部支撐與剛性內(nèi)部支撐對于管材力學性能的影響，指出PU 作為內(nèi)部支撐材料時，可顯著提升管材的綜合力學表現(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

本試驗研究對象為工業(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《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》，確定試件原始標距，得

取L0=80 mm。

確定試件平行長度，得

取Lc=95 mm。

由試驗機夾具尺寸，確定夾持長度：Lh=60 mm。

由Lc和Lh確定試件總長度Lt，得

為防止夾持時圓管端部發(fā)生變形，使用Q235 圓鋼作為夾持端的內(nèi)部支撐。夾持端塞頭長度Lb=60 mm，同時為避免焊接帶來的殘余應力，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 不銹鋼薄壁圓管標準試件，如圖1 所示。

圖1 薄壁圓管標準試件

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方式。5 種內(nèi)部支撐工況及其實測彈性模量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）參考標準：ISO 6892-1：2019和GB/T 228.1—2021。

2）加載設備：120 mm·min-1以下加載速率使用深圳萬測100 噸級HUT106D 試驗機，120 mm/min 以上加載速率使用w+b LFV-1000KN 型試驗機。

3）加載速率：設置了5檔加載速率，分別為2、3、15、75和120 mm·min-1，并對部分試件設置了0.6～3 000 mm·min-1的加載速率，實現(xiàn)了10-4～10-1/s量級的準靜態(tài)應變率。

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

1.3 試驗步驟

1）標定試驗機：通過一組圓鋼試件的彈性拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)試驗機自身系統(tǒng)的位移和試驗機拉力有較好的線性關系，并且線性關系的重復性良好。在位移數(shù)據(jù)處理過程中，扣除了拉力造成的試驗機系統(tǒng)位移。經(jīng)以上標定過程，得到的位移值更接近試件的真實伸長量。

2）拉伸前對試樣和夾具清洗去油，防止拉伸過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）記錄試驗數(shù)據(jù)，并運用Origin 數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 薄壁圓管標準試件拉伸試驗結果

為研究填充材料對薄壁圓管拉伸力學性能的影響，基于110 根試件的拉伸試驗，獲得了5 種填充工況、5 檔加載速率（2、3、15、75、120 mm·min-1）下試件的力學性能表現(xiàn)，分析了有內(nèi)部支撐試件的名義極限抗拉強度、伸長量、斷裂能3 個方面相對于空管試件的增幅。統(tǒng)計結果見表1—3。

表1 極限抗拉強度試驗結果

表2 伸長量試驗結果

表3 斷裂能試驗結果

2.2 填充材料對薄壁圓管拉伸性能的影響

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

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，極限強度先增大后減小，斷裂模式轉(zhuǎn)變后，極限強度仍有一定的提升。②隨支撐剛度的增大，伸長量和斷裂能均呈先增大后減小趨勢。③當支撐剛度達到500～1 000 MPa 時，管材伸長量開始出現(xiàn)負增幅，支撐剛度越大，減小趨勢越明顯；受此影響，斷裂能增長趨勢也發(fā)生逆轉(zhuǎn)。④當加載速率為15 mm·min-1時，管材力學性能提升幅度最大。管段中間斷裂模式情況下，極限強度最大增幅10.81%（PTFE），伸長量最大增幅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斷裂，名義極限抗拉強度提高5.51%（2 mm·min-1）～15.18%（15mm·min-1），伸長量增幅為-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）。試驗結果表明，剛性支撐可以明顯提高管材構件的極限承載能力，但是對延伸率有非常不利的影響，從而導致斷裂能較大幅度的降低，嚴重影響管材構件在極限工況下的斷裂韌性。當加載速率為15 mm·min-1時，所有支撐情況都表現(xiàn)最優(yōu)，3 種支撐材料的物理力學參數(shù)及不同工況下的力學性能最大增幅見表4。

表4 3 種內(nèi)部支撐材料的綜合對比分析

由表4 可知：ABS 和PTFE 在理想加載速率下對薄壁圓管力學表現(xiàn)的提升最為顯著，其斷裂能增幅均超過了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)濟性差；PU 密度較小，僅為PTFE 的1/2，單位體積價格約為PTFE 和ABS 的1/3；除此之外，PU 變形能力強，彈性范圍寬，不會因為變形過大而斷裂，能保持失效管材構件的完整性。

綜上，本試驗中的3 種柔性內(nèi)部支撐材料，PU 的綜合效能最佳。

3 討論

關于預設內(nèi)部填充管材的研究主要集中在鋼管混凝土的拉伸力學性能試驗研究，但關于柔性填充材料對于管材力學性能的影響分析少見報道。本文試驗研究發(fā)現(xiàn)：柔性填充材料能夠使管材的極限強度、延性和斷裂能得到較大幅度的提升，改善了構件的斷裂韌性。

3.1 填充材料對管材力學性能影響的對比分析

相關研究[15-18]表明，在特定的加載速率下支撐效應有助于管材抗拉強度和剛度的提升，但均沒有涉及管材延性和斷裂能的分析。表5 總結了主要參考文獻中的試驗工況和力學性能增幅的表現(xiàn)，并與本文中PU作為支撐材料時管材力學性能的表現(xiàn)進行了對比。

PU 與混凝土的對比分析如下。

1）根據(jù)文獻[15-18]管材構件的拉伸性能研究，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%。使用柔性支撐可達到與使用剛性支撐基本相當?shù)脑鰪娦Ч?/p>

2）使用以PU 為代表的柔性支撐時，在提高極限承載力的同時，可以顯著提高管材構件的極限變形能力；在15 mm·min-1加載速率下，可使管材的伸長量提高18.78%；管材斷裂能提升26.01%；使用剛性支撐（Q235 圓鋼）時，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彌補延伸率帶來的不利影響，大多數(shù)情況下，斷裂能大幅降低。混凝土的彈性模量一般為25～40 GPa，且變形能力較弱，其作用接近剛性支撐工況，對管材構件韌性應有不利影響。

3）從重量方面看，PU 的密度不足混凝土的1/2，更有利于結構的輕量化設計；從施工工藝方面看，PU 填充操作簡便，無需養(yǎng)護，適用于裝配式鋼管組合結構；而鋼管混凝土結構有較長的養(yǎng)護齡期，且加工制造復雜，對于場地、設備的要求較高，綜合成本較高。

本研究提出的一種“管材+柔性填充材料”結構，對于管材的拉伸極限力學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構，具有高韌性、簡捷性、輕量化和經(jīng)濟性等特點。

3.2 應用與啟示

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了受拉管材力學性能的不足，以非常有限成本、重量的增加，充分發(fā)掘了管材力學性能的潛能，成為一種有效的結構形式，這種結構形式在工程上有很廣闊的應用前景。

本次試驗研究也引出了幾個方面的問題，值得研究人員進一步關注。

1）試驗中僅對一種規(guī)格的304 不銹鋼管材進行了試驗研究，沒有考慮管材的材質(zhì)、長徑比、厚徑比的影響。

2）本次試驗重點研究了內(nèi)部填充材料對于管材拉伸力學性能的影響，但對于彎曲、拉扭、沖擊等復雜受力工況下管材力學性能的改善，還有待進一步研究。

3）通過4 種支撐材料的對比，前文得出了PU 的綜合效能最佳，但PU 的價格仍較高。尋找彈性模量合適且價格低廉的內(nèi)部支撐材料，進一步降低制造成本，降低結構自重，實現(xiàn)內(nèi)部支撐結構產(chǎn)業(yè)化的問題，也是值得研究人員關注的方向。

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

4 結論

本文通過試驗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性能。根據(jù)試驗結果和分析，可以得出以下結論。

1）由于內(nèi)部填充材料的支撐作用，限制了圓管在拉伸時向?qū)ΨQ軸的橫向頸縮，顯著提高了被測試件的極限抗拉承載力、伸長量和斷裂能。柔性內(nèi)部支撐和薄壁受拉管材形成一種高效的組合結構。當加載速率為15 mm·min-1，斷裂模式為中間斷裂模式時，管材極限抗拉強度最大增幅為10.81%（填充PTFE），伸長量最大增幅為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性能。本研究中試驗的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，在重量、成本不顯著增加的情況下，對應15 mm·min-1加載速率的名義極限抗拉強度、伸長量、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，尤其適用于裝配式組合鋼管結構。本文的研究為改善鋼管組合結構在極限狀態(tài)下的綜合表現(xiàn)提供了新的技術路徑，對于提高結構設計安全性、節(jié)約工程建設成本具有重要意義。