关于铝合金结构的高温性能的研究论文_徐小雨

徐小雨

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摘要：本文对铝合金结构的高温性能进行分析，在高温状态下分别对材料性能、构件承载力与节点承载力等内容进行研究，其中构件承载力包括整体与局部两个方面，力求通过本文研究，对铝合金结构性能拥有更加全面的了解，使其在更多领域得到广泛应用。

关键词：铝合金构件；高温性能；承载力

引言：近年来，铝合金结构高温性成为建筑行业的热点话题，其作为一种关键建筑材料，在强度、重量、延展性等方面具有较大优势，在工业、民用建筑中得到广泛应用。在建筑应用中常常面临火灾威胁，对铝合金结构的高温性能提出严峻考验，本文将对高温状态下此类构件的材料性能、承载力等指标进行分析。

1.高温状态下材料性能

对于金属材料来说，随着温度的不同力学性能也发生改变。以钢材为例，当温度为400℃时，其强度逐渐降低，当温度为600℃时，强度将下降到常温状态下的50%。与之相比，铝合金的防火性能相对较弱，在高温状态下，材料强度、弹性模量均随之降低，当温度为200℃时，铝合金强度逐渐降低；当温度为300℃时，强度降低至常温的50%；在500℃状态下，材料强度、弹性模量基本为零。在针对6061-T6类型铝合金在高温状态下对其性能进行实验时，分别对其弹性极限、抗拉强度、弹性模量三者与温度T之间的变化关系进行分析，用公式可表示为：

式中，P代表的是弹性极限；W代表的是抗拉强度；N代表的是弹性模量。由于生产工艺不尽相同，因此在高温状态下铝合金的性能也有所差别，需要根据实际情况对材料性能进行分析和研究[1]。

2.高温状态下铝合金构件承载力

在铝合金构件应用过程中，很容易受到外界因素影响出现整体或局部失稳等情况。在高温情况下，铝合金发生蠕变效应，在弹性模量方面显著降低，更增加了构件整体失稳的概率，具体内容如下。

2.1整体承载力

通过对铝合金构件在高温状态下整体承载力进行实验，根据实验结果提出针对其临界温度进行有效计算的方法。以AA6082-T6与AA6082-T4两种类型的铝合金柱为例，将二者同时放在高温状态下进行实验，并对有限元进行模拟，得出蠕变变形与承载力之间的关系。可通过公式对构件整体承载力进行计算，即：

式中，代表的是构件承载力；Kmax代表的是铝合金定义下的屈服强度数值；Nr代表的是构件承载力；代表的是材料分项系数；代表的是高温状态下，材料分项数值；根据规范可知，对构件整体稳定性的计算方法有两点，一是蠕变效应与承载力间的关系，一般采用常数进行折减；另一个是高温状态下构件长度与细度之比相同。通过后续研究可知，该系数还与加热速率、加载速率与材料牌号等指标相关；此外，在高温状态下，与常温状态相比，弹性模量数值下降的速率更低，因此长细比与更接近于保守值[2]。

2.2局部承载力

大量研究结果表明，构件的局部承载力与屈服强度、弹性模量等参数具有紧密关联。在高温状态下，铝合金的性能逐渐发生改变，对板件中局部承载力产生直接影响。以6060-T66型铝合金构件相比，在高温受压状态下开展实验，全部构件均出现局部屈曲损坏，且在温度不断提升的情况下，屈服强度、弹性木梁之间的比值关系不断增加，致使承载力的速率降低速度变缓。在有限元模拟之下，明确高温状态下铝合金板宽度与厚度的数值。在实验基础上，构建抗火设计模型，如下：

式中，代表的是高温状态下板件局部承载力的修正系数；Ab代表的是板件截面面积；代表的是构件非线性长细比例。在国外研究基础上，结合蠕变效应构建力学模型，对构件在高温状态下的局部变形情况进行分析，以5083-H116为例，在高温下开展局部屈曲实验，对上述模型的有效性进行验证；以6082-T6类型的构件为例，开展高温受压实验，充分证明在抗火性能方面，与以往单温度准则相比，应将构件牌号、受火条件、截面尺寸等多种因素综合考虑其中，以免力学模型失效。

3.高温状态下节点承载力

现阶段，针对铝合金节点抗火性能的研究十分稀少。在加热状态下，构件焊接连接的热影响区内的材料强度将随之降低。以6060-T66类型的铝合金为例，对焊接节点进行高温性能试验。试验结果表明，在温度不断上升时，热影响区的材料与母材强度相一致，在此基础上提出该系列铝合金焊接节点影响范围内强度折减的公式，如下：

式中，代表的是热影响范围内构件强度的折减数值；代表的是高温状态下构件连接节点的极限强度；代表的是构件母材极限数值；在焊缝连接方面，大多采用螺栓进行连接，但我国对于金属螺栓连接承载性的研究还十分稀少，以网壳结构为主，节点的高温承载性与网壳结构承载力间存在紧密联系。通过大量实验研究表明，针对节点常温承载性能的研究可对实验研究、数值模拟提供更多参考。

通过开展力学实验的方式，采用高清摄像头捕捉应变，在实验正式开展之前，将防火漆涂抹在试件上，达到增加反光率的目标，并在涂抹的位置做好标记，一般情况下，标记之间的距离在20—40mm之间。在实验过程中，将摄像头记录的距离变化情况录入到采集系统当中，通过标记距离对应变进行换算，并在恒温状态下对试件进行加热，当达到恒温状态后，维持15min不变，便可在此基础上开展加载实验。通过上述实验结果表明，应力与应变曲线以倾斜直线的形式展现，材料为弹性阶段，当拉力扩展到一定程度后，材料处于弹性阶段，随着温度不断增加，在断裂时的声音减弱，断面的收缩情况更加显著，断口也更为平直[3]。

结论：综上所述，现阶段，铝合金结构的应用范围逐渐扩展，对于高温性能的研究也显得十分重要。对此，应通过开展大量实验活动的方式，更加精准的确定铝合金材料的性能，使不同牌号材料的性能得以补充，对整体与局部失稳问题进行有效控制。

参考文献：

[1]郭小农, 梁水平, 蒋首超, 等. 铝合金构件不锈钢螺栓连接高温性能研究综述[J]. 建筑钢结构进展, 2017, 17(5):18-23.

[2]于寒. 高温喷丸钛铝合金的组织与性能研究[D]. 哈尔滨理工大学, 2018.

[3]郭小农, 高志朋, 朱劭骏, 等. 国产结构用铝合金高温力学性能试验研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2018, 295(07):25-33.

论文作者:徐小雨

论文发表刊物:《科技新时代》2019年11期

论文发表时间:2020/1/8

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