卷压制钢管应力应变与性能研究.pdfVIP

第十届全国现代结构丁程学术研讨会 卷(压)制钢管应力应变与性能研究 王晓波 刘志东 石荣金 王小青 华燕 (江苏沪宁钢机股份有限公司。宜兴214231) 提要：在对卷(压)制钢管应力应变分析的基础上，进行原板材与管材性能的对比试验。研究表明钢管受拉区拉应力拉应 变成分多于受压区，不利于材料塑性变形。管材较原板材强度升高塑性下降，而管材横向冲击降幅变化远大于纵向， 因此钢管力学性能不能以原板代替。 关键词：钢管；应力：应变：性能 ．^^-J‘ 一、刖舌 钢管结构作为新型的结构形式，近几年在奥运工程、世博工程和大运工程等标志性建筑中广泛应用。 圆管构件与建筑外形相结合形成极具魅力的钢结构。鉴于无缝钢管生产成本较高壁厚公差较大，且钢号和 管径受到限制。因此目前钢结构制作工厂采用冷成型焊接圆钢管居多，其管径大管壁厚，适应钢结构工程 需要。以南京、重庆奥体中心为例，焊接圆钢管占工程总用钢量200,6以上：以广州新电视塔为例，其外筒 底部外径达2000mm壁厚达50mm，加工难度实属罕见。 冷成型实质上就是在低于钢材再结晶温度下的弹塑性弯曲成型。国内冷成型加工工艺主要有两种，在 卷管机上将钢板沿轧制方向卷曲成型，在油压机上将钢板沿垂直于轧制方向以长压头渐进压制成型。鉴于 冷弯成型时钢板产生的塑性变形较大。并伴随有加工硬化现象，所以钢材经冷加工成型后，一般都有强度 升高和塑性韧性降低的倾向，钢板在卷(压)制钢管时，变形与受力状态较为复杂。 二、钢管应力应变的解析与探讨 我们按GB／T232进行金属材料弯曲试验时，冷弯试样受拉的外表面不但发生沿试样纵向的拉伸现象，同 时也发生沿试样横向的收缩变形。横向收缩量随冷弯截面宽度的增加而减少，冷弯试样的宽度越大，则纵向 拉伸越难变形，而弯至同样的角度，因宽度越大，越不能受到横向补偿，越易产生裂缝等缺陷。越能敏感地 反映出钢材塑性变形能力、各向异性程度和表面质量。这种现象，国内造船界称之为宽冷弯效应，见图1。研 究表明当冷弯试样宽度为厚度的7倍以上时，试样横向收缩量除两外侧面以外，在中心区已接近零。 卷(压)制钢管的过程相当于金属材料弯曲试验的“宽冷弯”试验，其宽度为管长，但一般管长为管 厚的数十倍，因而钢管长度方向收缩微乎其微，钢管再长其影响不会扩大，可以认为钢管纵向没有发生变 形，但钢管径厚比对管材横向伸长的影响是十分明显的。冷成型加工时管材发生局部塑性变形是很大的， 表现出来就是钢管表面的切向伸长和横截面的畸变．钢板经弯曲后对曲率半径来讲，外层属拉伸区，内层 属压缩区，我们可在弯后管弧外侧中部取一个单元体进行应力——应变分析(如图2)。 工业建筑2010增刊 llOl 第十届全国现代结构工程学术研讨会 图1．冷弯试样纵横向受力示意图 图2钢管外侧单元体应力应变分析 这个单元体受到0．、0z、0。三个应力作用，并同时发生e．、ez、e。三个相对应的应变。按照塑性 变形体积不变条件，即e一十￡z+e。=O，横向塑性变形将在其余一个或两个相对垂直的方向，即径向和纵向 产生反向的塑性应变。又￡。是最大主应变，它等于其它二个主应变之和，即￡l-￡z+e。。由于三个应力的 作用，以及外层拉伸内层压缩的结果，使弯曲部分发生不同程度的变形，有正应变有负应变，产生了畸变， 但管纵方向遏阻很大。外层受拉伸，内层受压缩，中心层由于有使得剖面成为扇形的趋势，而圆弧曲度对 此又起着阻碍作用。鉴于弯曲曲率的存在，管厚径向相互压缩，因而产生径向应力0。，这应力在中心层达 到最大值。另外由于管纵方向晶格滑移的阻力较大，应变流动困难，因而产生管纵向应力0。。所以应力状 态是立体的，应变是平面的。受拉区和受压区单元体的应力应变分析分别见图3a)和图3b)。 图3a)受拉区单元体应力应变图 图3b)受压区单元体应力应变图 从图3显而易见，受拉区三个主应力中二个拉应力一个压应力，二个主应变中一个拉应变一个压应变。 1102