硬质聚氨酯泡沫填充圆钢管构件的静力和冲击性能研究

发布时间：2020-07-26 21:39

【摘要】：近年来恐怖袭击事件频发,使得建筑工程结构在正常使用期间可能遭受爆炸、冲击等偶然荷载作用;除此之外,在地震、强风等作用下,相邻建筑间的碰撞致损问题及隔震层的限位碰撞等都促使工程结构的抗冲击防护成为了研究的热点。目前对于建筑领域冲击防护的研究多集中在传统结构构件的抗冲击性能方面,如结构圆钢管和钢管混凝土等,针对建筑结构领域适用的耗能构件以及新型抗冲击构件的研究还较少。鉴于以上背景,本文提出将耗能特性优良的硬质聚氨酯泡沫(RPUF)与建筑结构领域最常使用的薄壁圆钢管相结合形成复合材料构件,对其短柱的轴压和轴向冲击性能以及长柱构件的侧向冲击性能展开研究,以期获得高效吸能、具有广泛工程应用价值的新型复合防护构件。本文选用密度为300kg/m~3的硬质聚氨酯泡沫和建筑结构中最常使用的Q235直缝焊管,通过自发泡的方式制备了RPUF填充圆钢管试件,并对其开展试验和数值模拟研究,开展的主要研究工作包括下述几个部分:(1)RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压性能研究开展了6组RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压试验,对比分析了RPUF填充圆钢管和空钢管在轴压荷载条件下的耗能特性。建立了RPUF填充圆钢管短柱构件的轴压有限元模型,开展参数分析,讨论了管径、壁厚以及试件高度对轴压耗能能力的影响,通过理论分析建立了短柱构件的平均压缩力公式。(2)RPUF填充圆钢管短柱构件的轴向冲击性能研究通过8组RPUF填充圆钢管短柱构件的轴向冲击试验,分析了其在冲击荷载与轴压荷载条件下的力学性能差异,通过有限元模拟分析了管径、壁厚、试件高度及冲击速度等因素对轴向冲击荷载条件下RPUF短柱构件耗能能力的影响。(3)RPUF填充圆钢管长柱构件的侧向冲击性能研究开展了34组RPUF填充圆钢管和18组空钢管长柱构件的侧向冲击试验,对比分析了RPUF填充管和空钢管的侧向冲击性能差异,总结了RPUF填充圆钢管长柱构件侧向冲击下的四种破坏模式;结合有限元手段,系统分析了锤头形式、径厚比、跨径比、冲击位置、冲击角度以及冲击速度等参数对RPUF填充圆钢管长柱构件侧向冲击力学性能的影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9
【图文】：

材性试验,硬质聚氨酯泡沫

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2.2 材性试验材料的基本力学性能是研究复合材料构件的基础，因此，文章在研究 RPUF填充圆钢管的轴压、轴向冲击及侧向冲击性能之前，首先开展了硬质聚氨酯泡沫和不同壁厚圆钢管的材性试验。按照国家标准 GB/T 8813-2008[71]的要求，制取了 100mmx100mmx50mm 的RPUF 材性试块，如图 2-3 a) 所示，进行单轴静力压缩试验，加载速度选用 2mm/min，加载过程如图 2-3 b)。共开展了 3 组 RPUF 的轴压试验，结果的离散性较小，体现了所制备的硬质聚氨酯泡沫良好的稳定性。对三组试验结果取均值得到 RPUF 的单轴压缩试验应力-应变曲线如图 2-4 b)所示，开始时，应力应变呈线性关系，如AB 段，为硬质聚氨酯泡沫的弹性段，在应变达到 5%左右时，应力应变进入一个相对平缓的变化阶段，这一阶段称为平台段，即图中的 BC 段，平台段之后的区域称为硬质聚氨酯泡沫的密实段（CD 段），这一阶段，聚氨酯泡沫胞壁基本被压溃而密实，应力随应变的增长而急剧增大。

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关[12]， f为泡沫材料的绝对密度，通过实测得到本文所用的聚氨酯泡沫的密度 337kg/m3, s为泡沫基材的密度，聚氨酯弹性体的密度一般为 1200kg/m3[15]，Rei其文章中通过泡沫材料在静压下得到应力应变关系获得其材料的弹性模量[16]，种方法因其简易高效而被广泛采用，泡沫材料的屈服强度 f定义为应变为 10%对应的轴压应力值，密实区开始时对应的应变定义为密实应变阈值 l，如图 2-4 b C 点对应的应变值，通常取应力为 2 f对应的应变值[16]。通过聚氨酯泡沫的准静态轴压试验，得到了本文所使用的 RPUF 的主要材性数如表 2-1 所示， f为 RPUF 的泊松比，近似为 0[32]。表 2-1 硬质聚氨酯泡沫材料性能参数 f/(kg/m3) s/(kg/m3) Ef/MPa f f/MPa l337.0 1200 337 0 5.8 0.49按照 GB/T 228-2010[72]和 GB/T 2975-1998[73]的要求进行了钢管单轴拉伸试验载速率 2mm/min，试验过程和拉伸断裂后试样如图 2-5 所示，不同壁厚钢管的性数据如表 2-2 所示，E 为弹性模量，为钢材的泊松比， y为屈服强度， u为限强度， u为极限应变。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文径均为 60mm，壁厚尺寸包括 1.5mm，2.0mm 和 2.5mm 三种，短柱试件的总加工高度为 150mm，其中 50mm 为锚固高度，轴压试件如图 2-6 所示，详细几何参数见表 2-3。轴压过程中为实现短柱试件底部的完全固支约束，并保证轴压试验过程的安全进行，采用图 2-7 所示夹具对短柱构件进行锚固。

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