铝蜂窝板和铝瓦楞板的刚度对比研究分析

位占杭

帷森(厦门)建材工业有限公司

铝蜂窝板和铝瓦楞板的刚度对比研究分析

位占杭

帷森(厦门)建材工业有限公司

现在建筑幕墙和内装等行业都有很多采用铝蜂窝板和铝瓦楞板作为建筑的外维护结构和装饰面材.本文就这两种结构较接近的板材在刚度方面做个对比研究,除了结构分析外主要是还做了具体的承载试验,通过具体数据来分析其在刚度方面的差异,能指导大家在项目使用上合理的设计和选择.

铝蜂窝板；铝瓦楞板；板材刚度；蜂窝芯；瓦楞芯；刚度分析

1 引言

铝蜂窝板和铝瓦楞板都是优良绿色建材,如其在环保性能方面甲醛释放量为E1级,防火性能达A级(A1).铝材又是可回收重复利用材料.加上其重量轻和刚度高等优秀的力学性能,因此得到越来越广泛的应用。铝蜂窝板和铝瓦楞板都是夹芯结构复合材料,它们的唯一差别是所用夹芯的区别,铝蜂窝板用的是铝质的蜂窝结构夹芯,铝瓦楞板用的是铝质瓦楞形夹芯,。下面就分析和测试它们的刚度差异。

2 夹芯结构分析

2.1 铝蜂窝芯

铝蜂窝芯的正六边形的几何形状使之成为自然界中最合理的结构，这种形状很好地分散了各个方向所受的外力，并相互支撑，使其成为一种完美的力学结构,再加双面铝板复合后就形成各个方向的小工字梁结构,得到受力均衡和结构稳定的特性，因此成为最理想的高抗弯刚度的复合芯材.这也是蜂窝结构最早在航天,航空等制造领域应用的原因。

2.2 铝瓦楞芯

瓦楞芯的形状形成竖向筋结构，即近似一系列类似U形的波浪截面，形成了很大的截面惯性矩I，刚度是弹性模量E与相应截面几何性质I的乘积ExI，因此再双面复合铝板后就形成很好的抗弯刚度。但瓦楞芯有方向性，瓦楞芯的刚度优良指的是瓦楞的U形波浪截面作为惯性矩截面受力时，如果是其垂直方向时瓦楞芯本身就无优越的刚度可言了，在双面复合铝板后此方向还是能形成一定的刚度的，和U形波浪截面作为惯性矩截面时相差甚远，刚度能力只剩下约1/3（参考试验数据，我们对瓦楞板两个不同方向的受力进行了测试）。这就是蜂窝芯的无方向性比瓦楞芯优点所在。

3 铝蜂窝板与铝瓦楞板的刚度实验测试

3.1 测试板的参数条件

3.1.1 铝蜂窝板:1片板.(A板)

(1)板 厚:25mm.板 尺 寸:1500mmX1500mm;(2)面 板:铝AA3003,厚度:1.0mm；(3)背板:铝AA3003,厚度:0.7mm；(4)蜂窝芯:铝3003,厚度:0.07mm，六边形边长:8.5mm；(5)复合用胶粘剂:双组份聚氨酯胶.（6）复合工艺：热压板。

3.1.2 铝瓦楞板:2片板,(B板/C板)

(1)板 厚:25mm.板 尺 寸:1500mmX1500mm;(2)面 板:铝AA3003,厚度:1.0mm；(3)背板:铝AA3003,厚度:0.7mm；(4)瓦楞芯:铝1000,厚度:0.3mm。(5)复合用胶粘剂:双组份聚氨酯胶（6）复合工艺：热压板。

3.1.3 说明:蜂窝板和瓦楞板测试样板除了芯材差异其它材质参数以及加工工艺相同。

3.2 测试工具

(1)铸铁砝码（2KG,5KG,10KG,20KG系列).(2)扰度读数百分表(0-50mm）.(3)支撑龙骨架.

3.3 测试条件

(1)跨距:1500mm.(2)静载荷测试.(3)配重块砝码逐一均匀布置于受力面.

(4)板对边两端连接铝角码,螺钉固定于测试龙骨架上架空。（5）参考夹层结构弯曲性能试验方法，GB/T1456-2005

4 测试结果

A板为铝蜂窝板.

B板为铝瓦楞板,定义为:瓦楞波浪截面做为受力惯性矩截面。

C板为铝瓦楞板,定义为:瓦楞波浪截面的垂直方向截面做为受力惯性矩截面。

注：铝瓦楞板的不同截面惯性矩是差别很大的。这就造成了其抗弯刚度的差异。

4.1 挠度与载荷数据表

4.1.1 A板测试数据表:载荷单位:KG.扰度单位:mm.

载荷挠度载荷挠度载荷挠度20 0.90 200 6.86 380 11.7 6 40 1.35 220 7.18 400 12.25 60 1.90 240 7.35 410 12.65 80 2.60 260 7.65 420 12.95 100 3.30 280 8.15 430 13.28 120 4.28 300 8.8 440 13.67 140 4.79 320 9.80 450 14.10 160 5.55 340 10.4 460 14.47 180 6.27 360 11.02 470 14.90

4.1.2 B板测试数据表:载荷单位:KG.扰度单位:mm.

载荷挠度20 0.60 40 1.00 60 1.35 80 1.80 100 2.52 120 2.95 140 3.10 160 3.50 180 3.87

载荷挠度载荷挠度200 4.28 380 7.70 220 4.7 400 8.10 240 5.25 410 8.42 260 5.54 420 8.72 280 5.84 430 9.16 300 6.15 440 9.65 320 6.97 450 10.15 340 7.10 460 10.40 360 7.42 470 10.90

4.1.3 C板测试数据表:载荷单位:KG.扰度单位:mm.

载荷挠度载荷挠度20 0.69 160 11.4 0 40 1.36 165 17.20 60 2.27 170 23.15 80 3.11 180失效100 4.60 120 5.10 130 5.60 140 6.30 150 7.25

4.2 综合分析对比曲线

以测试所得数据做出挠度和载荷曲线如下:换算成我们实际设计用载荷单位kN/m2表示;

在同样载荷条件下,挠度值越小则说明板材抗弯刚度越大。(如图所示)

4.3 结论：（在以上测试条件下）

4.3.1 当瓦楞芯波浪截面做为受力惯性矩截面时，铝瓦楞板比铝蜂窝板的抗弯刚度要好很多。如：载荷2.0kN/m2时，瓦楞板B挠度约6mm，蜂窝板A挠度达9mm。

4.3.2 当瓦楞芯波浪截面的垂直方向截面做为受力惯性矩截面时，抗弯刚度下降很多，而且 抗弯强度也较小，板材会存在载荷不大时突然破坏失效的情况。如：载荷1.0kN/m2时，A铝瓦楞板挠度约3.5mm，而C铝瓦楞板达9mm了,而且在载荷接近1.2 kN/m2时（见C板曲线结束点），C板材抗弯能力突然失效而凹陷破坏。

4.3.3 抗弯刚度强弱顺序:B铝瓦楞板〉A铝蜂窝板〉C铝瓦楞板。就是说在相当条件下，铝瓦楞板当瓦楞芯波浪截面做为受力惯性矩截面时比铝蜂窝板刚度还要高，铝瓦楞板另一方向截面受力时抗弯刚度和强度比铝蜂窝板要差。

4.3.4 在使用和设计铝瓦楞板时注意其方向性不同而造成抗弯刚度不同，铝蜂窝板抗弯能力没有方向性。因此在设计要时结合实际项目的板材安装跨距,安装固定方式，当地风压、雪压等载荷情况合理地选择板材和板材承载方式。

说明：此曲线是1500mm跨距，用帷森（厦门）建材工业有限公司生产的板材测试的结果。

[1]陈建东主编.金属与石材幕墙工程技术规范应用手册[S].中国建筑工业出版社.

[2]JG/T334-2012.中华人民共和国建筑工业行业标准[S].建筑外墙用铝蜂窝复合板.

[3]GB/T1456-2005.中华人民共和国国家标准[S].夹层结构弯曲性能试验方法.