泡沫金属填充钢管柱耐火性能研究

Foam metal has good fire - resistant property and nice application prospect in the field of building fire protection. Based on previous foam metal fire - resistant research results, foam metal filled steel tube's temperature field variation is tested and simulated in this project, the related parameters' reasonable value is studyed. Through fire test and nonlinear numerical simulation, steel and foam metal's thermo-mechanical coupled constitutive relation is considered, foam metal filled steel column's numerical model is established at high temperature, and its fire - resistant property is studied in load and high temperature condition, load eccentricity, axial compression ratio, specimen's slenderness ratio, steel ratio and other parameters' influence on its refractory ultimate strength and residual strength are analysed. Through quantitative analysis of relevant parameters, refractory capability and residual strength's simplified calculation formulae are put forward. Theoretical basis and performance parameters are provided for foam metal filled steel column's fireproof application.

泡沫金属具有良好的耐火性能，在建筑防火领域有着良好的应用前景。本项目拟在前期对泡沫金属耐火性研究的基础上，测试和模拟高温情况下泡沫金属填充钢管柱温度场的变化，探讨相关参数的合理取值；通过耐火试验和非线性数值模拟，考虑钢材和泡沫金属热-力耦合本构关系，建立泡沫金属填充钢管柱高温状态下的数值模型，研究泡沫金属填充钢管柱在高温和受荷情况下耐火性能，分析荷载偏心距、轴压比、试件长细比、含钢率等参数对其耐火极限强度、残余强度的影响；通过对相关参数定量分析，提出泡沫金属填充钢管柱耐火承载力和残余强度的简化计算公式；为泡沫金属填充钢管柱防火应用提供理论依据和性能参数。

泡沫金属材料是一种性能良好的功能材料，具有能量吸收、阻尼减震、降噪、隔热、电磁屏蔽等功能。泡沫金属的重要使用领域之一，就是作为填充材料使用于组合结构。本项目以泡沫金属填充钢管柱为对象，在已有研究基础上，对高温前后泡沫金属和泡沫金属填充钢管柱的力学性能进行大量的试验和模拟分析；考察了泡沫金属在不同温度下的力学性能，发现当温度超过600℃时，泡沫金属力学性能会迅速下降；通过对泡沫金属填充钢管柱温度场进行模拟分析，可以发现，在其它条件一定的情况下，截面尺寸越大，泡沫铝的温度越低；而对于外围钢管，截面尺寸改变对钢管的温度场影响不大。截面的周长一定时，随着长宽比的增大，内填泡沫铝的温度逐渐升高。通过对高温前后泡沫金属填充钢管进行扭转试验和压缩试验，分析温度、泡沫铝孔隙率、含钢率等参数对泡沫金属填充钢管力学性能的影响。试验结果表明，高温前、后泡沫金属填充钢管的扭转性能和压缩性能十分相似；高温后，泡沫金属填充钢管的扭转承载能力和压缩承载力下降明显，泡沫金属填充钢管扭转承载能力和压缩承载力随孔隙率增大而减小，扭转性能随含钢量、长细比增大而增大；而构件长细比对其压缩性能和吸能能力影响较小，通过在理论公式中引入温度系数，推导出泡沫金属填充钢管的扭转承载能力和压缩承载力理论解，发现与试验结果一致。对泡沫金属填充钢管压缩性能进行了有限元模拟，通过模拟发现钢管壁厚度的变化对最大承载力的影响是最大的，壁厚的改变也会改变试件的变形模式。对不同的截面进行模拟对比分析后发现，对矩形截面构件，当截面两个方向上的尺寸相差较大时，在较长的边上会发生鼓曲变形，这对承载力的提高是不利的。本项目的研究为泡沫金属填充钢管柱防火应用提供理论依据和性能参数。