超轻多孔金属夹芯板的结构应用及破坏模式研究

1、超轻多孔金属夹芯板的结构应用及破坏模式研究                摘要：冲击载荷下多孔金属夹芯板具有良好的能量吸收能力，广泛应用于有防护要求的结构工程。文中详细介绍了超轻金属夹芯板的种类、性能特点及结构特性，基于超轻多孔金属夹芯板动、静态力学性能实验研究，详细讨论了超轻多孔金属夹芯板遭受冲击载荷作用下的破坏模式。研究表明，夹芯板的破坏主要表现在前面板的屈服，芯层的压缩及剪切变形和后面板的变形与失效，同时给出了结构设计中所关心的夹

2、芯板前面板屈服条件和后面板中心点永久变形计算公式，对夹芯板在结构工程中的应用具有一定得参考价值。关键词：超轻多孔金属；夹芯板；结构应用；破坏模式     1.引言    超轻多孔金属是以金属为骨架，包含贯通或非贯通的二维或三维空隙的非密实性（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学性质，多孔金属材料不仅是一种轻质和高比强度的结构材料，还是一种具备吸声、隔音、隔热（闭孔）、散热（开孔）、减振、抗冲击等多种物理性能的优良功能材料1。多孔金属夹芯板是由复合材料或金属面板与和多孔金属芯层（格栅、金属泡沫和点阵材

3、料等）构成的组合结构。这种结构克服了多孔金属材料强度低等缺点，具有吸能效率高和高比刚度的优点，引起了学术界和工程界的极大关注。许多学者对多孔金属夹芯板的力学性能开展了系统的研究2-4，对夹芯板的结构应用具有一定的理论指导价值。随着我国墙体材料改革的进一步推广，建筑结构的革新和人们节能意识的提高，各类夹芯板在我国的生产和应用日益增长，广泛应用于各种建筑物的围护结构（厂房、体育馆、候机室、办公室、商场、影剧院等的屋面板及墙板），如上海沪东造船厂新建加工车间屋面采用80mm厚MRP-1000岩棉夹芯板，墙面采用60mm厚MWP-1000岩棉夹芯板；北京国际展览中心8号馆屋面、上海宝钢会议中心屋面采用

4、聚氨酯夹芯板等5。但是，超轻多孔金属夹芯板在结构工程中的应用还处于起步阶段。我国目前还没有制定关于夹芯板的规范，结构设计中夹芯板的受力性能、承载力等力学参数直接套用国外厂商资料，这种做法不仅会造成材料浪费，也有可能存在安全隐患。本文详细介绍了超轻多孔金属夹芯板的种类、性能特点及力学响应，讨论了其破坏模式，对夹芯板的结构设计有一定的参考价值。2.超轻多孔金属夹芯板的类型    超轻多孔金属夹芯板是一种集承重、防水、保温及装饰功能为一体的新型轻质复合板材，面板通常为薄钢板或铝板，芯层可以是泡沫金属、蜂窝材料和格栅材料等。按照建筑物使用部位不同，夹芯板可分为屋面夹芯板和

5、墙体夹芯板；按照芯层材质的不同，夹芯板分为泡沫金属夹芯板、蜂窝夹芯板和格栅夹芯板等；按照金属面板的不同6-7，夹芯板分为平表面夹芯板、浅压型夹芯板和深压型夹芯板。平表面夹芯板常用于非承重的隔墙板；浅压型夹芯板通常用于承重外墙板；而屋面板常选用深压型夹芯板。    3.超轻多孔金属夹芯板的性能特点及结构特性    3.1 超轻多孔金属夹芯板的性能特点    超轻多孔金属夹芯板是一种新型轻质复合板材，不仅可以满足建筑物屋面、墙面围护结构防风、防雨、保温隔热、防腐蚀、耐久、承重等基本要求，而且具有良好的装饰性，

6、施工方便快速，与砖瓦、混凝土等传统的建筑材料相比具有如下优点：（1）重量轻：传统的钢筋混凝土楼板的容重为25003/kgm，而超轻多孔金属夹心板的容重约为6003/kgm。（2）抗震性能好：由于夹芯板重量轻、整体性好，所以采用夹芯板作为屋面、墙面的建筑物，抗震性能大大提高。（3）工业化程度高：夹芯板均在工厂预制后运到施工现场，其制作生产线全部由计算机控制，保证夹芯板的加工精度及质量要求。现场施工时采用电动扳手自攻自钻螺丝把夹芯板固定在墙梁或檩条上，无焊接、无湿作业，施工速度快。（4）防水性好：屋面夹芯板搭接处设有通长密封条，而且压型钢板周边设有通长防止爬水构造。墙面夹芯板采用企口插接，表面不露

7、螺钉的隐藏式连接，美观坚固，防水效果好。（5）良好的耐久性和装饰性：夹芯板的面板通常为薄钢板或铝板，芯层为多孔金属，可根据建筑物的重要性和使用寿命要求选用不同的夹心板。同时夹芯板屋面墙面不需再进行外装修，大大减小了工程费用。    3.2 超轻多孔金属夹芯板的结构特性    夹芯板制作过程中，面板与芯层通常采用胶合剂或焊接连接成为整体，从而具有良好的组合优点。金属面板对芯层具有保护作用，使其避免机械损伤、防止腐蚀等；芯层不仅具有缓冲吸能、防震等结构特性，还具有隔音、绝热等功能；同时面板与芯层可以选用相同的材料，二者线膨胀系数相近，从而

8、具有良好的共同工作性能。但是夹芯板组合构件由于自身的结构特点，在外力作用下的工作性能不同于常规建筑构件，结构设计时应注意以下方面6-7:（1）芯层材料的强度较低，在强荷载作用下会发生明显的剪切变形，因此必须考虑芯层材料剪切刚度的影响。（2）在外加载荷作用下，面板发生屈曲变形，芯层由于能产生较大的塑性变形而耗散部分能量，增强面板的抗屈曲能力，因此必须考虑芯层对面板支承作用的影响。（3）芯层材料的力学性能，如抗压强度、抗拉强度、剪切强度等力学参数都与材料密度直接相关，因此，需要考虑芯层材料性能变化的影响。（4）面板与芯层的连接处可能会出现脱胶或焊接缺陷，在结构设计中，应该考虑制作工艺的影响，满足夹

9、芯板在正常使用条件下的承载力要求。（5）闭孔泡沫芯层材料为夹芯板提供了良好的绝热性能，但是，在高温或严寒气候时，内外表面产生较大的温度差，引起明显的变形，即所谓的热弯曲。（6）屋面夹芯板在自重、积灰荷载和雪荷载作用下，芯层将产生徐变，引起内力和变形的重分布，在设计时需考虑徐变的影响。4.超轻多孔金属夹芯板的破坏模式    超轻多孔金属材料因其具有良好的抗冲击性能和优越的吸能减震特性，常应用于有防护要求的国防工程和抵制恐怖袭击的军事领域。由于建筑结构的特殊性和重要性，对超轻多孔金属夹芯板力学性能的研究不能只拘泥于准静态条件下，必须系统深入研究夹芯板的动态力学性能。鉴

10、于此，我们系统研究了泡沫铝夹芯板和蜂窝铝夹芯板在准静态和冲击载荷下的力学响应。实验结果表明，夹芯板在准静态和动态加载下的破坏模式大致相同，但冲击载荷下夹芯板的破坏程度较准静态加载下严重，且蜂窝铝夹芯板与泡沫铝夹芯板相比，具有优越的抗冲击性能。因此，结构设计中，我们更关心的是夹芯板在冲击载荷下的力学响应。下面我们便给出了夹芯板在动态加载作用下的破坏模式。本实验中，夹芯板简化模型的尺寸为300mm×300mm,其面板为2A12-O铝合金。泡沫铝芯层为虹波金属材料公司生产的泡沫铝板材，铝蜂窝夹芯层由HexWeb生产的六边形铝蜂窝构成，性能参数可见参考文献8。为与实际工程中的固支连接条件相符

11、合，夹芯板由两块加工平整的18mm厚钢板采用M16的螺栓固夹。准静态实验装置由固支实验试件、液压万能试验机和千分表等组成。压头通过由微机控制的液压万能试验机给其施加压力实现对试件的准静态加载，压头直径为36.5mm。动态冲击载荷通过空气动力枪驱动泡沫铝金属子弹撞击加载实现，泡沫铝子弹的直径为36.5mm。4.1 前面板的屈服    前面板的变形主要表现为子弹作用区域的局部压缩和撞击周边区域的整体大变形。失效主要集中在子弹作用区域，根据夹芯板的构成不同，失效模式可分为压入失效和侵彻失效两种。4.2 芯层压缩及剪切变形    芯层的变形按

12、照破坏程度的不同分为压缩区和无压缩区，如图6所示。压缩主要发生在承载中心区域，该区域可观察到局部的塑性大变形，泡沫孔壁弯曲、坍塌甚至胞孔完全闭合；在距离受载区域较远处以及固支边，泡沫芯层几乎没有发生任何变化，该区域我们定义为无压缩区域。此外，实验过程中泡沫芯层加载区域边缘还观察到明显的剪切变形模式。    4.3 后面板的变形和失效模式    夹芯板在撞击载荷下后面板的变形失效模式可近似为非弹性大变形，中心点挠度最大，部分试件在中心点周围伴有花瓣形的变形，周边最小，整体变形为穹形。多孔金属夹芯板常常被用于工程防护结构中，被保护人员和物

13、品往往置于夹芯板后面板的一侧。因此结构在承受强动载荷作用下将其“后面板”的永久变形作为研究夹芯板的抗冲击性能的主要参数。4.4 其他破坏模式    结构工程中夹芯板的破坏还可能发生在与墙梁或檩条的连接处，一方面，在撞击载荷下，夹芯板在墙梁或檩条的支承处可能出现剪切失效；另一方面，在风载荷及其他动载作用下，夹芯板产生过大的变形导致连接处的变形值超过了连接件最大的允许变形值,以致墙体夹芯板被整体拔出。面板与芯层的连接由于脱胶或焊接时残余应力的影响，还可能出现局部破坏。5.结论    近年来，夹芯板由于其良好的保温隔热、防水、装饰性等功能，且易于运输，安装简便快捷，可预制化生产，可重复使用等优点，在建筑围护结构中的应用日益增长。然而，超轻多孔金属夹芯板更为优越的性能是吸能减震和良好的抗冲击性能，在具有防护要求的国防工程和抵制恐怖袭击的军事领域有广阔的应用前