温室大棚常用镀锌圆钢管应用力学性能试验研究

蒋希芝， 徐 磊， 夏礼如， 柳 军， 孟力力， 赵永富

(1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏南京 210014； 2.农业部长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏南京 210014

中国的设施农业发展很快，已建成了相当规模的钢架大棚和日光温室农业设施[1-2]。与以往的竹木骨架、钢筋焊接、混合泥土等结构相比，镀锌钢管具有结构强度高、耐蚀性能好、金属用量少、安装施工方便、生产价格低等显著的优异性能，得到广泛的应用[3]。但在发展过程中发现了一些质量问题，造成了很大的损失。质量问题主要体现在2个方面：一方面大棚和温室结构不合理，对风、雨、雪等自然灾害抵抗较弱；另一方面是钢管材料的质量问题，其力学性能、耐腐蚀性能等不合格，缩短了使用寿命[4]。目前，关于塑料大棚和日光温室结构方面的研究较多[5-7]，已取得一些研究成果。俞永华等对塑料大棚结构承载特性进行研究，将塑料大棚失效分为线弹性、大位移、材料弹塑性、屈曲失稳破坏4个阶段[8]。李晓野建立了钢管塑料大棚结构计算模型并进行载荷分析，提出了结构优化方法[9]。齐飞等针对连栋温室的特点，提出了切合实际的钢架结构框架稳定设计方法[10]。周长吉一直致力于日光温室的结构设计和载荷研究，对比研究了不同结构温室性能的优劣，提出了温室设计原则和标准[11]。Briassoulis等通过数值分析和模拟，总结出风雪等外因及高度跨度比等内因均影响温室结构稳定性[12-13]。

目前的研究多集中于大棚和温室的结构设计和载荷计算方面[14-15]，而关于钢管材料自身的质量问题鲜有研究。由于温室大棚结构及环境特点，钢管材料主要受高温老化、浸水腐蚀的影响，从而被削弱力学性能，因此，本研究选取不同壁厚和不同直径的镀锌钢管，模拟温室大棚中对钢管力学性能影响最大的高温高湿环境，分别对其进行水浴处理和热空气老化处理，通过拉伸、压扁、硬度试验，对比分析壁厚、直径、高温高湿环境对镀锌钢管拉伸强度、断裂伸长率、抗压性能、硬度的影响，并从理论上探讨了产生影响的原因，为温室大棚钢管材料的选择与使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验对象

供试温室大棚常用的镀锌钢管为热镀锌焊接钢管，热带冷轧制成，取自江苏省农业科学院五连栋大棚施工工地，共8种常用圆形钢管，不同尺寸如下：外径Ф25 mm，壁厚分别为1.5、1.8、2.0 mm；Ф32 mm，壁厚分别为1.5、1.8、2.0 mm；Ф42 mm，壁厚2.0 mm；Ф48 mm，壁厚2.0 mm。

1.2 试验方法

1.2.1 拉伸试验 按照GB/T 228.1—2010标准，将钢管切割成长度为220 mm的试样，每种尺寸的钢管取9个试样，分成3组，每组3个平行试样，分别进行未处理、水浴处理和热空气老化处理后，采用CMT5305微机控制电子万能试验机，最大试验力300 kN，试验力测量范围0.2%～100%，示值相对误差±1.0%，拉伸速度6 mm/min，进行拉伸试验，取平均值作为最终拉伸强度和断裂伸长率。

1.2.2 压扁试验 按照GB/T 246—2007标准，将钢管切割成长度为100 mm的试样，每种尺寸的钢管取9个试样，分成3组，每组3个平行试样，分别进行未处理、水浴处理和热空气老化处理后，采用SHT4106型微机控制电液伺服万能试验机，最大负荷1 000 kN，试验力测量范围1%～100%，示值相对误差±1%，压板速度6 mm/min，进行压扁试验，观察裂纹情况。

1.2.3 硬度试验 按照GB/T 4340.1—2009标准，将钢管切割成长度10 mm的试样，每种尺寸的钢管取9个试样，分成3组，每组3个平行试样，分别进行未处理、水浴处理和热空气老化处理后，采用VH-50AC型维氏硬度计，测量范围8～2 967 HV，试验力98.0 N，进行硬度试验，取平均值作为最终硬度值。

1.2.4 试样处理 水浴处理：模拟农田高温高湿环境(大棚内最高温度一般为60 ℃)，参考GB 10703—1989和GB 6458—1986，将试样放入HH-4型数显恒温水浴锅中，60 ℃水浴72 h，对镀锌钢管进行水浴处理，然后取出擦干表面水滴，室温下进行力学性能试验。热空气老化处理：模拟农田高温环境(大棚内最高温度一般为60 ℃)，根据GB/T 18244—2000规定，将试样放入DHG-9070型鼓风干燥箱中，60 ℃鼓风干燥168 h，对镀锌钢管进行热空气老化处理，然后取出，室温下进行力学性能试验。

2 结果与分析

2.1 镀锌钢管拉伸性能变化特性分析

不同钢管的拉伸试验结果如表1所示。由表1可知，当Ф25 mm钢管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm时，未处理的拉伸强度仅降低2 MPa，热空气老化处理时拉伸强度只降低10 MPa，而水浴处理的钢管拉伸强度降低较多，为67 MPa；当Ф25 mm钢管壁厚由1.8 mm增加到2.0 mm时，未处理、水浴处理、热空气老化处理的钢管拉伸强度均大大降低，分别降低119、80、106 MPa。Ф32 mm钢管壁厚由1.5 mm增加到 1.8 mm，再增加到2.0 mm时，未处理钢管拉伸强度分别逐渐降低24、39 MPa，而水浴处理和热空气老化处理的钢管拉伸强度变化十分接近，一直保持在50 MPa上下。当Ф25 mm钢管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm，未处理和水浴处理的断裂伸长率总体保持不变，热空气老化处理的断裂伸长率增加3百分点；Ф25 mm钢管壁厚由1.8 mm增加到2.0 mm时，未处理、水浴处理、热空气老化处理的钢管断裂伸长率分别增加4百分点、8百分点、8.5百分点。Ф32 mm钢管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm，再增加到2.0 mm时，未处理钢管断裂伸长率分别增加9.5百分点、7.0百分点，水浴处理均增加8.5百分点，热空气老化处理均增加6.5百分点。这可能是由于温度升高，若同时再有水的作用，产生腐蚀，壁厚越大，材料均匀性降低，钢管金属膨胀越厉害，使得钢管韧性增大，导致钢管拉伸强度降低，断裂伸长率增大。

不同直径的钢管，壁厚2 mm，变化规律最为明显，相同处理条件下，直径为25、32、42、48 mm的钢管拉伸强度下降幅度很接近，均逐渐降低20 MPa左右。但断裂伸长率变化相差较大，壁厚2 mm时，直径由25 mm增大到32 mm，未处理、水浴处理、热空气老化处理的钢管断裂伸长率分别增加10.5百分点、9百分点、3百分点；Ф32 mm后，直径继续增大，断裂伸长率增幅均不超过2百分点。壁厚一定时，直径越大，金属材料用量越大，但均匀性降低，使得拉伸强度降低，断裂伸长率增大。以上分析表明，钢管壁厚和直径大小是影响钢管拉伸性能的主要因素，而高温和高湿作用会加速削弱钢管的拉伸性能。

表1 不同钢管的力学性能试验结果

2.2 镀锌钢管压扁性能变化特性分析

不同钢管的压扁试验结果见表1。由表1可知，仅直径为25 mm，壁厚为1.5 mm和1.8 mm的钢管开裂，其余均无裂纹。结果表明，增加壁厚和直径有助于改善钢管的抗压性能。这可能是由于钢管所受的拉应力之和大于金属的抗拉强度时，则试样上出现裂纹。薄壁管裂纹出现在受拉应力的水平母线上，厚壁管裂纹出现在受拉应力的垂直母线上[16]。壁厚和直径都较小时，进行压扁试验，钢管受横向应力的作用较大，易发生横向变形[17]，水平方向的拉应力最大，因此，Ф25 mm 的钢管容易开裂。钢管压扁试验示意如图1所示。A点为压应力，其附近金属被压缩，a点为拉应力，其附近金属被拉伸，B点为拉应力，金属被拉伸，b点为压应力，金属被压缩。当B点或a点的拉应力之和大于金属的抗拉强度时，则试样上出现裂纹。薄壁管B-b方向的拉应力最大，裂纹出现在B点母线上，容易开裂[18]。

2.3 镀锌钢管维氏硬度变化特性分析

不同钢管的维氏硬度试验结果见表1。由表1可知，当Ф25 mm钢管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm时，未处理、水浴处理、热空气老化处理的钢管硬度分别减小了18、15、32 HV；当壁厚由1.8 mm增加到2.0 mm时，未处理、水浴处理、热空气老化处理的钢管硬度均大大降低，分别减小了50、49、37 HV。Ф32 mm钢管壁厚由1.5 mm增加到1.8 mm时，未处理、水浴处理、热空气老化处理的钢管硬度分别减小了33、49、44 HV；壁厚1.8 mm和2.0 mm的硬度非常接近，未处理钢管硬度减少了7 HV，而水浴处理和热空气老化处理钢管硬度均仅减少了1 HV。这可能是由于壁厚越大，材料在轧制过程中的均匀性会有所降低，受力相同的情况下，压头压入金属，金属较易产生形变，形成较大压痕，因此硬度值减小。

不同直径下，壁厚2 mm钢管硬度变化规律最明显，相同处理条件下，直径为25 mm和32 mm的钢管硬度很接近，均在140 HV左右。随着直径的增大，Ф42 mm和Ф48 mm硬度在 130 HV 左右。这可能是由于直径越大，金属韧性越好，产生形变越明显，压痕也较大，因此硬度值较小[19]。以上分析表明，壁厚是影响钢管维氏硬度的主要因素，直径影响较小，高温高湿作用对钢管硬度有一定的影响。

3 结论

相同直径，相同处理条件下，钢管壁厚增加，拉伸强度降低，断裂伸长率增大，且随着壁厚的增加，高温高湿作用加速了钢管拉伸强度的降低，且对断裂伸长率增大效果越明显。相同壁厚，相同处理条件下，钢管直径增加，拉伸强度降低，断裂伸长率增大，且高温高湿作用对拉伸强度影响较小，对断裂伸长率影响明显。Ф25 mm，壁厚1.5 mm的未处理钢管拉伸强度最大，达558 MPa，断裂伸长率较小，为11.5%；Ф48 mm，壁厚2.0 mm的未处理钢管拉伸强度最小，为 376 MPa，断裂伸长率较大，可达到27.5%。

壁厚和直径都较小时，进行压扁试验，钢管受横向应力的作用较大，发生横向变形，因此，Ф25 mm，壁厚1.5 mm和 1.8 mm 的钢管容易开裂，壁厚和直径越大，抗压性能越好。

相同直径，相同处理条件下，钢管壁厚增加，维氏硬度减小，且随着壁厚的增加，高温高湿作用对钢管硬度的影响减小。相同壁厚，相同处理条件下，钢管直径增加，维氏硬度减小，但减小幅度不超过12 HV。壁厚是影响钢管维氏硬度的主要因素，直径影响较小，高温高湿作用对钢管硬度有一定的影响。Ф25 mm，壁厚1.5 mm的未处理钢管硬度最大，为210 HV；Ф48 mm，壁厚2.0 mm的未处理钢管硬度较小，为127 HV。