泡沫金属材料是一种超轻金属材料,其质量轻,比强度高,具有能量吸收、阻尼减震、降噪、隔热、电磁屏蔽等功能,其重要用途就是用于组合结构进行能量吸收 ^[1,2,3]。近年来,组合结构的研究一直是建筑工程领域的热点,张鹏 ^[4]通过外包钢预应力组合梁进行试验,推导出承载力公式; 李萤 ^[5]对刚接约束下的现浇组合梁进行了恒载升温试验研究和数值模拟,发现现浇板的温度分布沿板厚方向逐渐降低。但对金属泡沫组合结构研究还相对较为缺乏,近年来,Seitzberger等 ^[6]和Hanssen等 ^[7]对泡沫铝填充中空钢管、铝管进行了大量试验;席国胜等 ^[8]研究了泡沫铝合金中空层合圆管的压缩能量吸收性能比强度和比刚度;桂良进等 ^[9,10]研究了泡沫填充金属圆管在准静态和动态轴向压缩载荷作用下的能量吸收特性,分析几何参数及材料参数对其比吸能的影响;屠永清等 ^{[11,12,13,14]}研究了泡沫铝填充钢管柱工作性能以及阻尼性能;王展光等 ^[15,16,17]对火灾前、后泡沫铝填充低碳钢管和镀锌钢管两种组合柱扭转性能研究进行了分析,探讨了钢管厚度、孔隙率等相关参数对组合结构性能的影响;刘志芳等 ^[18]利用试验研究与理论分析相结合的方法研究了泡沫铝填充金属薄壁圆管在准静态侧向压缩下的力学响应;黄睿等 ^[19]对泡沫铝填充管进行准静态轴向压缩的数值仿真分析,研究了管的高度、壁厚、直径以及泡沫铝的填充对圆管吸能性能的影响。

　　 镀锌钢管在表面有着锌-铁合金层,具有较强的耐腐蚀性;但目前对高温前、后泡沫铝填充镀锌钢管的力学性能分析还相对较少,本文在对高温后镀锌钢材材料性能试验研究和镀锌钢管压缩试验的基础上 ^[20,21],对高温前、后圆形截面泡沫铝填充镀锌钢管构件进行了静态压缩试验,分析泡沫铝密度、长细比、钢管厚度等相关参数对泡沫铝填充镀锌钢管压缩性能和吸能性能的影响。

　　 镀锌钢管在钢材市场上购置,截面尺寸如下:镀锌钢管直径D为60cm,厚度分别为1.8,2.5,3.0mm;长径比L/D分别为3,5和7,其中L表示镀锌钢管的长度。闭孔泡沫铝由四川某公司通过缓释铸造发泡技术制备,将制备好的泡沫铝加工成需要的尺寸,选取的泡沫铝相对密度ρ′=ρ_f/ρ_s=0.1,0.2,0.3,其中ρ_f为泡沫铝的密度, ρ_s为基体材料铝的密度,取2 700kg/m³。镀锌钢管和泡沫铝样品见图1。

　　 本文试验包括不同加温温度下闭孔泡沫铝的材料性能试验和泡沫铝填充镀锌钢管的压缩性能试验。

　　 加热使用的上海某电炉公司定制生产的加热电炉。为了模拟火灾效应,考虑不同温度对镀锌钢材、泡沫铝和圆形截面泡沫铝填充镀锌钢管对力学性能的影响,加热试验采用三种升温曲线,最高温度分别为800,600和400℃,具体升温曲线见图2,并将其与常温情况力学性能进行比较。

　　 将制作好试件放入加热电炉中,按照图2中的试验升温曲线进行加热,加热结束待自然冷却后,将试件取出进行相关的力学试验。

　　 力学试验在济南某仪器公司生产的电子试验机(WDW2000)上进行,对闭孔泡沫铝和圆形截面泡沫铝填充镀锌钢管进行压缩试验,相关的荷载-位移曲线由IMP数据采集系统进行采集。对试件采用控制位移的方法进行加载,加载速度为1mm/min,直至整个构件破坏或承载力下降到峰值荷载的20%时停止加载,试验结束。

　　 为了测试镀锌钢材在不同温度下材料力学性能,从镀锌钢管上截取拉伸试件,按照国家标准《金属材料 室温拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)规定的标准试验方法进行拉伸试验,镀锌钢材拉伸曲线见图3 ^[20]。选取不同相对密度的闭孔泡沫铝进行压缩试验,其压缩曲线见图4。

　　 从图4和图5可以看出,镀锌钢材和泡沫铝的强度随着温度升高而降低,根据文献[20]和相关的试验测试结果,计算出不同温度下镀锌钢材和泡沫铝屈服强度,相关结果见表1。

　　 圆形截面泡沫铝填充镀锌钢管试件在高温加热后的形态见图5,其和矩形截面泡沫铝填充镀锌钢管类似,随着温度的升高,分别出现碳化阶段、氧化阶段和爆破阶段 ^[21]。从图5中可以看出,在常温20℃情况下,试件外围镀锌钢管为银白色,当加热温度达到400℃时,镀锌钢管表面呈蓝色,表明镀锌钢管在400℃出现碳化,但填充的泡沫铝没有明显变形;当加热温度达到600℃时,镀锌钢管表面氧化现象严重,出现局部氧化层脱落现象,填充泡沫铝有局部塌陷的情况;当加热温度达到800℃时,由于铝的熔点为660.4℃,填充的泡沫铝发生液化现象,当钢管厚度和强度不足时,圆形截面泡沫铝填充镀锌钢管会发生爆破,导致该温度下的强度无法进行测试。

　　 圆形泡沫铝填充镀锌钢管的压缩曲线见图6。从图6中可以看出,圆形泡沫铝填充镀锌钢管压缩曲线与镀锌钢管的压缩曲线相似,主要由两部分组成,即弹性阶段和屈服平台阶段 ^[21],填充的泡沫铝不会改变外围镀锌钢管的变形形态,但会提高镀锌钢管组合结构承载力。试验开始加荷载时,圆形泡沫铝填充镀锌钢管处于弹性阶段,荷载-位移曲线表现为线性变化,这时候构件整体变形较小,荷载主要由外围的镀锌钢管来承担,泡沫铝的作用较小;随着荷载继续增加, 圆形泡沫铝填充镀锌钢管发生屈服,填充的泡沫铝随着外围镀锌钢管变形而压实,这个阶段填充的泡沫铝发挥作用最大,对承载力的提高最为明显。当压缩荷载达到最大值后,试件的顶部或底部发生局部屈曲,形成环状褶皱,并伴有表面氧化层出现脱落的现象,见图7,这是圆形泡沫铝填充镀锌钢管的第一次压实阶段。继续加载,圆形泡沫铝填充镀锌钢管重复着屈服、构件局部屈曲、出现褶皱、钢管和泡沫铝压实的过程,但试件的承载力提高却不明显,在压缩曲线中表现为屈服平台段荷载的上下波动越来越剧烈,直到整个构件被压实,压缩曲线的一个峰值对应着压缩试件的一个褶皱,这在文献[21]和本试验中都得到验证。

　　 圆形泡沫铝填充镀锌钢管吸能能力W的计算公式为:

　　 $W={\displaystyle {\int }_0^{\Delta }{\rm P}}\text{d}\Delta (1)$

　　 式中:P为试件的轴向压力;Δ为试件的变形。

　　 圆形泡沫铝填充镀锌钢管的吸能曲线见图8。从图8中可以看出,圆形泡沫铝填充镀锌钢管吸能能力随着压缩变形的增加而近似线性增加。

　　 镀锌钢材平均压溃载荷P_c为 ^[9]:

　　 ${\rm P}{}_{\text{c}}=\left(\frac{1}{2}\text{π}t{}^2+\text{π}t\sqrt{2\text{π}rt}\right)f{}_{\text{s}\text{o}}({\rm T})(2)$

　　 式中:f_so(T)为镀锌钢材的屈服强度,数值见表1;t为钢管厚度;r为钢管的内半径。

　　 泡沫铝的屈服压缩荷载P_f为 ^[9]:

　　 ${\rm P}{}_{\text{f}}=\text{π}r{}^{2}f{}_{\text{s}\text{f}}({\rm T})(3)$

　　 式中f_sf(T)为泡沫铝的屈服强度,数值见表1。

　　 则圆形泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃载荷为 ^[9]:

　　 ${\rm P}={\rm P}{}_{\text{c}}+{\rm P}{}_{\text{f}}(4)$

　　 圆形泡沫铝填充镀锌钢管的吸能能力为:

　　 $W=({\rm P}{}_{\text{c}}+{\rm P}{}_{\text{f}})l\epsilon {}_{\text{D}}(5)$

　　 式中:l为圆形泡沫铝填充镀锌钢管长度;ε_D为圆形泡沫铝填充镀锌钢管的压实应变,ε_D=min(ε_f,ε_c),其中ε_f为泡沫铝压实应变,ε_f=1-1.4ρ′,ε_c 为镀锌钢管名义压实应变,$\epsilon {}_{\text{c}}=1-\sqrt{\frac{2t}{\text{π}r}}$。

　　 但在试验中,大部分试样在出现4～5个屈服圈后就试验停止,整个构件变形没有达到lε_D,所以用最终的变形Δ代替lε_D,则吸能能力为:

　　 $W=({\rm P}{}_{\text{c}}+{\rm P}{}_{\text{f}})\Delta (6)$

　　 为了比较泡沫铝相对密度对圆形泡沫铝填充镀锌钢管性能的影响,试验采用钢管厚度为1.8mm、不同泡沫铝相对密度的试样进行试验。

　　 不同泡沫铝相对密度下圆形泡沫铝填充镀锌钢管压缩曲线见图9。从图9中可以看出,泡沫铝增加了泡沫铝填充镀锌钢管的强度,但对其压缩曲线影响很小。

　　 泡沫铝相对密度对圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷和吸能能力的影响见图10。从图10中可知,圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷和吸能能力随泡沫铝相对密度增大而增加,近似为线性增长。试验测试的结果高于理论公式计算结果,空镀锌钢管平均压溃载荷试验结果为49.5kN,公式(4)的计算结果为37.5kN,其吸能能力试验结果为2 385.1J,公式(6)的计算结果为1 574.9J;而泡沫铝相对密度为0.3时泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷试验结果为106.8kN,公式(4)的计算结果为78.2kN,其吸能能力试验结果为3 709.7J,公式(6)的计算结果为2 808.9J。这是因为在理论公式中没有考虑泡沫铝和钢管之间的相互作用带来的增强因素。

　　 为了比较镀锌钢管厚度对圆形泡沫铝填充镀锌钢管的性能影响,试验采用泡沫铝相对密度为0.3、不同钢管厚度的圆形泡沫铝填充镀锌钢管进行试验。

　　 不同钢管厚度下圆形泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃载荷和吸能能力的影响见图11。当钢管厚度为1.8mm时,圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷试验结果为94.2kN,公式(4)的计算结果为78.2kN,其吸能能力试验结果为4 468.1J。公式(6)的计算结果为3 476.5J,平均压溃载荷试验与理论计算相差16kN,吸能能力相差991.6J;当钢管厚度为3.0mm时,圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷试验结果为166.3kN,公式(4)的计算结果为112.5kN,其吸能能力试验结果为11 436.7J,公式(6)的计算结果为7 537.5J,平均压溃载荷试验与理论计算相差53.8kN,吸能能力相差3 899.2J。由此可知,圆形泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃荷载、吸能能力随着钢管厚度增大而增加,试验测试的结果高于理论公式计算结果,且随着钢管厚度增加,两者差距进一步加大。

　　 为了考虑构件长细比对圆形泡沫铝填充镀锌钢管性能的影响,采用钢管厚度为1.8mm、泡沫铝相对密度为0.3、长细比分别为3,5和7的圆形泡沫铝填充镀锌钢管进行压缩试验。

　　 不同构件长细比下,圆形泡沫铝填充镀锌钢管的压缩屈服荷载、吸能能力与钢管厚度的关系见图12。当构件长细比为3时,平均压溃载荷的试验结果为106.8kN,吸能能力为3 709.7J;当构件长细比为5时,平均压溃载荷的试验结果为106.3kN,吸能能力4 350.4J;当构件长细比为7时,平均压溃载荷的试验结果为102.7kN,吸能能力为4 614.9J。从而可知,在本试验的参数范围内,圆形泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃载荷、吸能能力受构件长细比影响较小,特别是平均压溃载荷几乎无变化,吸能能力随长细比增大而略有增加。

　　 为了考虑温度对圆形泡沫铝填充镀锌钢管性能的影响,采用钢管厚度为2.5mm、泡沫铝相对密度为0.3的泡沫铝填充镀锌钢管,分别进行最高温度800,600和400℃的加热,并与常温20℃情况进行比较。由于当加热温度达到800℃时,泡沫铝填充镀锌钢管性能会发生爆破现象,相关形态见图3,所以本文中只进行了常温20,400和600℃压缩性能的比较。

　　 不同温度作用下圆形泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃载荷、吸能能力与温度的关系见图13。当温度为常温20℃时,圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷试验结果为147.5kN,公式(4)的计算结果为99.9kN,其吸能能力试验结果为8 596.2J,公式(6)的计算结果为5 676J;当温度为600℃时,圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷试验结果为132.9kN,公式(4)的计算结果为78.1kN,其吸能能力试验结果为7 908.6J,公式(6)的计算结果为4 647.9J。由此可知,圆形泡沫铝填充镀锌钢管的平均压溃载荷、吸能能力随着温度的升高而降低。

　　 通过对圆形泡沫铝填充镀锌钢管进行压缩试验和理论分析,可以得到如下结论:

　　 (1)填充泡沫铝不会改变圆形泡沫铝填充镀锌钢管的压缩形态,但可以提高其承载力,其压缩曲线与镀锌钢管类似,可以分为弹性阶段、屈服平台阶段。

　　 (2)圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均压溃载荷和吸能能力随泡沫铝相对密度、钢管厚度的增大而增加,随着温度的升高而降低。

　　 (3)将圆形泡沫铝填充镀锌钢管平均屈服压缩载荷和吸能能力试验结果与理论公式进行了比较,发现两者趋势一致,但试验结果要高于理论公式的计算结果。