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RPUF填充薄壁圆钢套钢蒸汽保温管短柱构件的轴压力学性能
作者：河北大东管道防腐保温工程有限公司
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发表时间：2020-05-25 16:52:06
基于建筑工程领域存在的碰撞、冲击等工程背景，提出密度为300kg/m的硬质聚氨酯泡沫（RPLF, rigid polyurethane foam）填充建筑圆钢套钢蒸汽保温管短柱吸能构件，为获得该类构件在轴压荷载作用下的基本力学性能及吸能能力，开展了3组空钢管和3组RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压试验。试验结果表明：轴压荷载作用下，填充RPUF能够有效改善建筑圆钢管在轴压荷载作用下的叠缩变形模式，使构件趋于对称叠缩变形；同时，RPUF填充圆钢管构件较空钢管的***峰值荷载及各项吸能指标都有了较大幅度的提升，且壁厚越薄，提升幅度越大，体现了填充RPF对建筑圆钢管的力学性能及吸能能力的提升。
基于ABAQUS/ Explicit求解器建立RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压有限元模型，将仿真结果与试验结果对比，以验证有限元模型的准确性，随后开展参数分析，结果表明RPUF填充圆钢管耗能能力随壁厚和管径的增大而增大。在 Alexander经典叠缩模型的基础上，推导了平均压缩力预测公式，与试验结果和数值模拟结果对比发现该公式能够有效预测RPUF填充圆钢套钢蒸汽保温管短柱构耗能构件能够通过自身的变形和屈曲耗散外部能量，在冲击、爆炸等偶然荷载作用下起到保护主体结构的作用，减少主体结构因破坏而造成的损失。
耗能构件在工业领域已有大量应用，如汽车制造领域的吸能盒、航天器的着陆器、火车等轨道交通领域的防爬器薄壁构件因其优良的力学性能，是最早被用于工程结构中作为耗能构件的形式，大量学者对其耗能特性开展了研究、 Alexander4提出了薄壁圆管在轴压荷载作用下的经典渐进叠缩模型，并通过理论分析，推导了圆管在轴压荷载作用下的平均压缩力公式. Wierzbicki等则通过引入塑性动力学方法并扩展到大变形问题，得到了轴压过程中四边形方管和六边形管的平均压缩力公式多胞材料填充薄壁结构形成的复合形式构件是近来兴起的一种耗能构件，如汽车领域的泡沫材料填充薄壁管吸能盒和轨道交通领域的泡沫铝填充结构形式的缓冲吸能防爬装置，这类构件的能量耗散由泡沫材料的耗能、薄壁金属管的塑性变形耗能共同组成，同时试验也证明，泡沫与金属管之间的相互作用还能够改变管件的叠缩变形模式使其吸收更多能量.Reid等研究了硬质聚氨酯泡沫填充薄壁锥形管和方管在准静态轴压和轴向冲击下的吸能特性，并基于 Wierzbicki的棱柱管叠缩模型提出了聚氨酯泡沫填充锥形管和方管的平均压缩力公式余晓琦等研究了硬质聚氨酯泡沫填充薄壁圆钢管在横向压缩下的吸能特性，并提出了泡沫填充双管嵌套和三管嵌套系统已有耗能构件研究多集中于汽车制造及轨道交通领域。
采用泡沫材料密度一般较低（60-200kg/m3）而近年来的研究表明，建筑结构领域，也存在着诸多碰撞、冲击荷载，如隔震层位置在地震荷载下地基与隔震结构的碰撞和密集邻近高层在地震荷载作用下的顶端碰撞，为避免建筑结构在此类冲击碰撞荷载下因局部构件破坏而造成连续倒塌的严重后果，研究具有良好耗能表现的构件逐渐受到国内外学者的重视，本文基于这一工程背景，提出将高密度（300kg/m2）硬质聚氨酯泡沫填充到建筑圆钢管构成复合短柱耗能构件，希望其消耗碰撞过程的冲击能量，从而保护钢套钢蒸汽保温管主体建筑结构。通过试验和数值仿真方法研究了构件的轴压力学性能，并在 Alexander的研究基础上基于能量关系推导了构件的平均压缩力公式。
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