超輕多孔金屬夾芯板的結(jié)構(gòu)應(yīng)用及破壞模式研究

1、超輕多孔金屬夾芯板的結(jié)構(gòu)應(yīng)用及破壞模式研究                摘要：沖擊載荷下多孔金屬夾芯板具有良好的能量吸收能力，廣泛應(yīng)用于有防護(hù)要求的結(jié)構(gòu)工程。文中詳細(xì)介紹了超輕金屬夾芯板的種類、性能特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特性，基于超輕多孔金屬夾芯板動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)討論了超輕多孔金屬夾芯板遭受沖擊載荷作用下的破壞模式。研究表明，夾芯板的破壞主要表現(xiàn)在前面板的屈服，芯層的壓縮及剪切變形和后面板的變形與失效，同時(shí)給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所關(guān)心的夾

2、芯板前面板屈服條件和后面板中心點(diǎn)永久變形計(jì)算公式，對(duì)夾芯板在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用具有一定得參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：超輕多孔金屬；夾芯板；結(jié)構(gòu)應(yīng)用；破壞模式     1.引言    超輕多孔金屬是以金屬為骨架，包含貫通或非貫通的二維或三維空隙的非密實(shí)性（一般孔隙率大于90%）新型多功能材料。因其良好的理化性能和力學(xué)性質(zhì)，多孔金屬材料不僅是一種輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，還是一種具備吸聲、隔音、隔熱（閉孔）、散熱（開(kāi)孔）、減振、抗沖擊等多種物理性能的優(yōu)良功能材料1。多孔金屬夾芯板是由復(fù)合材料或金屬面板與和多孔金屬芯層（格柵、金屬泡沫和點(diǎn)陣材

3、料等）構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)克服了多孔金屬材料強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，具有吸能效率高和高比剛度的優(yōu)點(diǎn)，引起了學(xué)術(shù)界和工程界的極大關(guān)注。許多學(xué)者對(duì)多孔金屬夾芯板的力學(xué)性能開(kāi)展了系統(tǒng)的研究2-4，對(duì)夾芯板的結(jié)構(gòu)應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值。隨著我國(guó)墻體材料改革的進(jìn)一步推廣，建筑結(jié)構(gòu)的革新和人們節(jié)能意識(shí)的提高，各類夾芯板在我國(guó)的生產(chǎn)和應(yīng)用日益增長(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于各種建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（廠房、體育館、候機(jī)室、辦公室、商場(chǎng)、影劇院等的屋面板及墻板），如上海滬東造船廠新建加工車間屋面采用80mm厚MRP-1000巖棉夾芯板，墻面采用60mm厚MWP-1000巖棉夾芯板；北京國(guó)際展覽中心8號(hào)館屋面、上海寶鋼會(huì)議中心屋面采用

4、聚氨酯夾芯板等5。但是，超輕多孔金屬夾芯板在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用還處于起步階段。我國(guó)目前還沒(méi)有制定關(guān)于夾芯板的規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中夾芯板的受力性能、承載力等力學(xué)參數(shù)直接套用國(guó)外廠商資料，這種做法不僅會(huì)造成材料浪費(fèi)，也有可能存在安全隱患。本文詳細(xì)介紹了超輕多孔金屬夾芯板的種類、性能特點(diǎn)及力學(xué)響應(yīng)，討論了其破壞模式，對(duì)夾芯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。2.超輕多孔金屬夾芯板的類型    超輕多孔金屬夾芯板是一種集承重、防水、保溫及裝飾功能為一體的新型輕質(zhì)復(fù)合板材，面板通常為薄鋼板或鋁板，芯層可以是泡沫金屬、蜂窩材料和格柵材料等。按照建筑物使用部位不同，夾芯板可分為屋面夾芯板和

5、墻體夾芯板；按照芯層材質(zhì)的不同，夾芯板分為泡沫金屬夾芯板、蜂窩夾芯板和格柵夾芯板等；按照金屬面板的不同6-7，夾芯板分為平表面夾芯板、淺壓型夾芯板和深壓型夾芯板。平表面夾芯板常用于非承重的隔墻板；淺壓型夾芯板通常用于承重外墻板；而屋面板常選用深壓型夾芯板。    3.超輕多孔金屬夾芯板的性能特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特性    3.1 超輕多孔金屬夾芯板的性能特點(diǎn)    超輕多孔金屬夾芯板是一種新型輕質(zhì)復(fù)合板材，不僅可以滿足建筑物屋面、墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)防風(fēng)、防雨、保溫隔熱、防腐蝕、耐久、承重等基本要求，而且具有良好的裝飾性，

6、施工方便快速，與磚瓦、混凝土等傳統(tǒng)的建筑材料相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）重量輕：傳統(tǒng)的鋼筋混凝土樓板的容重為25003/kgm，而超輕多孔金屬夾心板的容重約為6003/kgm。（2）抗震性能好：由于夾芯板重量輕、整體性好，所以采用夾芯板作為屋面、墻面的建筑物，抗震性能大大提高。（3）工業(yè)化程度高：夾芯板均在工廠預(yù)制后運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，其制作生產(chǎn)線全部由計(jì)算機(jī)控制，保證夾芯板的加工精度及質(zhì)量要求。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用電動(dòng)扳手自攻自鉆螺絲把夾芯板固定在墻梁或檁條上，無(wú)焊接、無(wú)濕作業(yè)，施工速度快。（4）防水性好：屋面夾芯板搭接處設(shè)有通長(zhǎng)密封條，而且壓型鋼板周邊設(shè)有通長(zhǎng)防止爬水構(gòu)造。墻面夾芯板采用企口插接，表面不露

7、螺釘?shù)碾[藏式連接，美觀堅(jiān)固，防水效果好。（5）良好的耐久性和裝飾性：夾芯板的面板通常為薄鋼板或鋁板，芯層為多孔金屬，可根據(jù)建筑物的重要性和使用壽命要求選用不同的夾心板。同時(shí)夾芯板屋面墻面不需再進(jìn)行外裝修，大大減小了工程費(fèi)用。    3.2 超輕多孔金屬夾芯板的結(jié)構(gòu)特性    夾芯板制作過(guò)程中，面板與芯層通常采用膠合劑或焊接連接成為整體，從而具有良好的組合優(yōu)點(diǎn)。金屬面板對(duì)芯層具有保護(hù)作用，使其避免機(jī)械損傷、防止腐蝕等；芯層不僅具有緩沖吸能、防震等結(jié)構(gòu)特性，還具有隔音、絕熱等功能；同時(shí)面板與芯層可以選用相同的材料，二者線膨脹系數(shù)相近，從而

8、具有良好的共同工作性能。但是夾芯板組合構(gòu)件由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在外力作用下的工作性能不同于常規(guī)建筑構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下方面6-7:（1）芯層材料的強(qiáng)度較低，在強(qiáng)荷載作用下會(huì)發(fā)生明顯的剪切變形，因此必須考慮芯層材料剪切剛度的影響。（2）在外加載荷作用下，面板發(fā)生屈曲變形，芯層由于能產(chǎn)生較大的塑性變形而耗散部分能量，增強(qiáng)面板的抗屈曲能力，因此必須考慮芯層對(duì)面板支承作用的影響。（3）芯層材料的力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)都與材料密度直接相關(guān)，因此，需要考慮芯層材料性能變化的影響。（4）面板與芯層的連接處可能會(huì)出現(xiàn)脫膠或焊接缺陷，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮制作工藝的影響，滿足夾

9、芯板在正常使用條件下的承載力要求。（5）閉孔泡沫芯層材料為夾芯板提供了良好的絕熱性能，但是，在高溫或嚴(yán)寒氣候時(shí)，內(nèi)外表面產(chǎn)生較大的溫度差，引起明顯的變形，即所謂的熱彎曲。（6）屋面夾芯板在自重、積灰荷載和雪荷載作用下，芯層將產(chǎn)生徐變，引起內(nèi)力和變形的重分布，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮徐變的影響。4.超輕多孔金屬夾芯板的破壞模式    超輕多孔金屬材料因其具有良好的抗沖擊性能和優(yōu)越的吸能減震特性，常應(yīng)用于有防護(hù)要求的國(guó)防工程和抵制恐怖襲擊的軍事領(lǐng)域。由于建筑結(jié)構(gòu)的特殊性和重要性，對(duì)超輕多孔金屬夾芯板力學(xué)性能的研究不能只拘泥于準(zhǔn)靜態(tài)條件下，必須系統(tǒng)深入研究夾芯板的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。鑒

10、于此，我們系統(tǒng)研究了泡沫鋁夾芯板和蜂窩鋁夾芯板在準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，夾芯板在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下的破壞模式大致相同，但沖擊載荷下夾芯板的破壞程度較準(zhǔn)靜態(tài)加載下嚴(yán)重，且蜂窩鋁夾芯板與泡沫鋁夾芯板相比，具有優(yōu)越的抗沖擊性能。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們更關(guān)心的是夾芯板在沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)。下面我們便給出了夾芯板在動(dòng)態(tài)加載作用下的破壞模式。本實(shí)驗(yàn)中，夾芯板簡(jiǎn)化模型的尺寸為300mm×300mm,其面板為2A12-O鋁合金。泡沫鋁芯層為虹波金屬材料公司生產(chǎn)的泡沫鋁板材，鋁蜂窩夾芯層由HexWeb生產(chǎn)的六邊形鋁蜂窩構(gòu)成，性能參數(shù)可見(jiàn)參考文獻(xiàn)8。為與實(shí)際工程中的固支連接條件相符

11、合，夾芯板由兩塊加工平整的18mm厚鋼板采用M16的螺栓固夾。準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置由固支實(shí)驗(yàn)試件、液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和千分表等組成。壓頭通過(guò)由微機(jī)控制的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)給其施加壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的準(zhǔn)靜態(tài)加載，壓頭直徑為36.5mm。動(dòng)態(tài)沖擊載荷通過(guò)空氣動(dòng)力槍驅(qū)動(dòng)泡沫鋁金屬子彈撞擊加載實(shí)現(xiàn)，泡沫鋁子彈的直徑為36.5mm。4.1 前面板的屈服    前面板的變形主要表現(xiàn)為子彈作用區(qū)域的局部壓縮和撞擊周邊區(qū)域的整體大變形。失效主要集中在子彈作用區(qū)域，根據(jù)夾芯板的構(gòu)成不同，失效模式可分為壓入失效和侵徹失效兩種。4.2 芯層壓縮及剪切變形    芯層的變形按

12、照破壞程度的不同分為壓縮區(qū)和無(wú)壓縮區(qū)，如圖6所示。壓縮主要發(fā)生在承載中心區(qū)域，該區(qū)域可觀察到局部的塑性大變形，泡沫孔壁彎曲、坍塌甚至胞孔完全閉合；在距離受載區(qū)域較遠(yuǎn)處以及固支邊，泡沫芯層幾乎沒(méi)有發(fā)生任何變化，該區(qū)域我們定義為無(wú)壓縮區(qū)域。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中泡沫芯層加載區(qū)域邊緣還觀察到明顯的剪切變形模式。    4.3 后面板的變形和失效模式    夾芯板在撞擊載荷下后面板的變形失效模式可近似為非彈性大變形，中心點(diǎn)撓度最大，部分試件在中心點(diǎn)周圍伴有花瓣形的變形，周邊最小，整體變形為穹形。多孔金屬夾芯板常常被用于工程防護(hù)結(jié)構(gòu)中，被保護(hù)人員和物

13、品往往置于夾芯板后面板的一側(cè)。因此結(jié)構(gòu)在承受強(qiáng)動(dòng)載荷作用下將其“后面板”的永久變形作為研究夾芯板的抗沖擊性能的主要參數(shù)。4.4 其他破壞模式    結(jié)構(gòu)工程中夾芯板的破壞還可能發(fā)生在與墻梁或檁條的連接處，一方面，在撞擊載荷下，夾芯板在墻梁或檁條的支承處可能出現(xiàn)剪切失效；另一方面，在風(fēng)載荷及其他動(dòng)載作用下，夾芯板產(chǎn)生過(guò)大的變形導(dǎo)致連接處的變形值超過(guò)了連接件最大的允許變形值,以致墻體夾芯板被整體拔出。面板與芯層的連接由于脫膠或焊接時(shí)殘余應(yīng)力的影響，還可能出現(xiàn)局部破壞。5.結(jié)論    近年來(lái)，夾芯板由于其良好的保溫隔熱、防水、裝飾性等功能，且易于運(yùn)輸，安裝簡(jiǎn)便快捷，可預(yù)制化生產(chǎn)，可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益增長(zhǎng)。然而，超輕多孔金屬夾芯板更為優(yōu)越的性能是吸能減震和良好的抗沖擊性能，在具有防護(hù)要求的國(guó)防工程和抵制恐怖襲擊的軍事領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前