填充柔性材料的管形结构
阅读说明：本技术 填充柔性材料的管形结构 (Tubular structure filled with flexible material ) 是由 高岳 邵飞 范鹏贤 徐倩 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：填充柔性材料的管形结构,涉及用作建筑结构的管形结构。填充柔性材料的管形结构,包括管形部件,所述管形部件内填充有增强受拉作用的柔性材料棒材。柔性材料棒材的弹性模量为20MPa—2GPa。柔性材料棒材为聚氨酯、聚四氟乙烯、ABS工程塑料中的一种。本发明提出了一种“管材+柔性内部支撑”的方法,对于管材的拉伸极限力学性能和断裂韧性提升显著,且装配便捷,重量和成本增加不多,非常适合装配式钢管组合结构,具有高韧性、简捷性、轻量化、经济性等特点。(A tubular structure filled with flexible material relates to a tubular structure used as a building structure. A tubular structure filled with flexible material comprising tubular members filled with a rod of flexible material which enhances the tension. The elastic modulus of the flexible material bar is 20 MPa-2 GPa. The flexible material bar is one of polyurethane, polytetrafluoroethylene and ABS engineering plastics. The invention provides a method of 'pipe and flexible internal support', which has the advantages of remarkable improvement on the tensile limit mechanical property and the fracture toughness of the pipe, convenient and fast assembly, small increase in weight and cost, suitability for an assembled steel pipe combined structure, high toughness, simplicity, light weight, economy and the like.)
技术领域
本发明涉及用作建筑结构的管形结构，尤其是内部带有填充物的管形结构。
背景技术
管材构件在航空航天、海洋平台、输电设施、能源化工及交通运输等领域中有广泛的应用，随着管形构件在工程领域中的应用越来越广泛，对于管材的技术指标提出了更高的要求。在组合结构中，受拉是钢管的常见受力状态。在结构管材服役过程中，当遇到地震、爆炸、撞击、冰雪灾害等极端工况时，会因承受过大拉伸载荷而导致强度失效，其破坏过程往往是一个复杂的变形破坏过程。因此，管材在特定工况下的极限力学性能研究成为工程设计人员关注的重要问题。
由于空心管材特殊的中空结构，其在纵向拉伸时会发生较为明显的横向颈缩；管材中间部位的横向颈缩加剧了颈缩处的应力集中现象，从而加速了管材在中间部位的断裂，造成了管材其它部位材料的力学性能没有得到充分发挥。关于空心管材拉伸力学性能的研究是一个比较成熟的领域；对于内部有填充的管材的研究，主要集中在钢管混凝土的压缩极限承载力以及泡沫金属填充薄壁管的吸能特性研究。内部预置填充材料的管材拉伸性能研究相对较少，主要集中于钢管混凝土的拉伸性能研究。
钢管混凝土的极限承载力虽有一定程度提升，但延伸率相较于空管拉伸有下降趋势。钢管混凝土受拉构件对施工工艺要求较高，且混凝土养护时间较长，对场地、设备要求较高，综合成本较高；钢管混凝土受拉构件的自重也较大。目前没有关于填充柔性支撑材料管材的极限抗拉强度、延伸率、断裂能等极限力学表现的研究。
发明内容
本发明提出了一种“管材+柔性内部支撑”的方法，对于管材的拉伸极限力学性能和断裂韧性提升显著，且装配便捷，重量和成本增加不多，非常适合装配式钢管组合结构，具有高韧性、简捷性、轻量化、经济性等特点。
填充柔性材料的管形结构，包括管形部件，所述管形部件内填充有增强受拉作用的柔性材料棒材。
优选的是，本发明柔性材料棒材的弹性模量为20MPa—2GPa。
优选的是，本发明柔性材料棒材为聚氨酯、聚四氟乙烯、ABS工程塑料中的一种。
优选的是，本发明柔性材料棒材的表面喷涂一层隔热涂层，以增强耐火性。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1.从重量方面看，柔性材料密度比混凝土小，更有利于结构的轻量化设计。
2.从施工工艺方面看，柔性材料填充操作简便，无需养护，适用于装配式钢管组合结构；而钢管混凝土结构有较长的养护龄期，且加工制造复杂。
3.从综合成本方面看，柔性材料填充即插即用，综合成本较低；而钢管混凝土受拉管形构件对于场地、设备的要求较高，综合成本较高。
4.柔性材料作为内部填充材料时，可显著提升受拉管材构件的极限抗拉强度、伸长量、断裂能，而混凝土对受拉管材构件的伸长量有负增幅。
5.本发明提出“管材+柔性内部支撑”的方法，对于管材的拉伸极限力学性能和断裂韧性提升显著，且装配便捷，重量和成本增加不多，非常适合装配式钢管组合结构，具有高韧性、简捷性、轻量化、经济性等特点。为改善钢管组合结构在极限状态下的综合表现提供了新的技术路径，对于提高结构设计安全性、节约工程建设成本具有重要意义。
附图说明
图1是本发明长度方向的结构示意图。
图2是本发明端部结构的示意图。
图3是本发明管形结构屈服函数的示意图。
图4是本发明极限抗拉强度增幅的变化曲线图。
图5是本发明伸长量增幅的变化曲线图。
图6是本发明断裂能增幅的变化曲线图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的填充柔性材料的管形结构，包括管形部件1，所述管形部件1内填充有增强受拉作用的柔性材料棒材2。
本发明的柔性材料棒材2的柔性材料的弹性模量为20MPa—2GPa。
本发明的柔性材料为聚氨酯、聚四氟乙烯、ABS工程塑料中的一种。
本发明的柔性材料棒材2的表面喷涂一层隔热涂层。
由于内部填充材料的支撑作用，限制了圆管在拉伸时向对称轴的横向颈缩，显著提高了被测试件的极限抗拉承载力、伸长量和断裂能。柔性内部支撑和薄壁受拉管材形成一种高效的组合结构。
以经典的Mises受拉管材为例，进行如下理论分析。当材料满足一定的应力条件后，材料进入屈服，该条件即为屈服条件，常用屈服函数表示。其中Mises屈服条件是应用最为广泛的屈服条件之一，其物理意义为：当物体内某一点的应力状态对应的畸变能达到某一数值C时，该点处材料便发生屈服。材料发生屈服时，三个主应力满足如下关系：
J2为偏应力第二不变量，σ1、σ2、σ3为三个主应力，σs为屈服应力。
试验研究表明，对于延性较好的金属材料，Mises屈服条件能够较好的描述材料的屈服行为。若以薄壁圆管单轴拉伸试验标定材料常数，则有：
在主应力空间中，Mises屈服面表现为一个平行于静水压力轴的柱面(如图3a所示)；该屈服面与σ1-σ2平面的交线为一椭圆(如图3b所示)，其方程为：
由图3b得到：当材料处于平面应力状态时，随着一个方向的应力增加，另一个方向的屈服应力先增加后减小。对式(3)进行简单变换，可得：
若仅考虑双向受拉(第一象限)且两向应力相互独立的情况，式(4)对求导，可知：在时，取得最大值也就是说，在双向受拉条件下，材料在最大受拉方向的屈服应力可以提高约15.5％。
以上分析是内部支撑效应对于管材屈服强度的提高分析。根据广义虎克定律和塑性变形体积不变原理，经严格数学推导，在同等受拉条件下，柔性内部支撑作用下的钢管比刚性内部支撑作用下的钢管可保持更大的横截面面积。即：从材料变形的角度分析，柔性内部支撑对钢管拉伸力学性能的改善也好于刚性支撑。综合以上应力分析和变形分析，将两部分进行耦合，柔性内部支撑作用下的钢管屈服强度最大增幅高达18％(理论计算值)。
当将以上分析推广到受拉管材极限状态时，管材的极限抗拉强度也将得到提升。
综合考虑内部支撑材料对钢管极限拉伸力学性能增幅的影响，柔性支撑材料对于管材极限拉伸力学性能的改善好于刚性支撑材料，内部支撑材料并不是越硬越好，存在一个适当的弹性模量范围(20MPa—2GPa)。
如图4、图5、图6所示，分别选取外管为304不锈钢(0Cr18Ni9)薄壁圆管，外径30mm，内径25.7mm，总长度215mm，夹持长度60mm，平行长度95mm。塞头为Q235圆钢，外径25.5mm，长度60mm。
为了提升在检测过程中，管形部件端部对压力部件的抗压能力，在管形部件1长度方向的两端分别设置塞头。塞头为Q235圆钢，塞头的内壁与Q235圆钢的外壁之间填充金属粘接剂。管形部件1内部的柔性材料棒材2的直径为25mm，长度为95mm。
当内部填充材料为聚氨酯、轴向拉伸加载速率为15mm/min时，相较于空管拉伸，名义极限抗拉强度最大增幅为8.12％、伸长量最大增幅为18.78％、断裂能最大增幅为26.01％。
当内部填充材料为聚四氟乙烯、轴向拉伸加载速率为15mm/min时，相较于空管拉伸，名义极限抗拉强度最大增幅为10.81％、伸长量最大增幅为23.30％、断裂能最大增幅为35.94％。
当内部填充材料为ABS工程塑料、轴向拉伸加载速率为15mm/min时，相较于空管拉伸，名义极限抗拉强度最大增幅为8.51％、伸长量最大增幅为24.56％、断裂能最大增幅为35.84％。
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