鋁蜂窩板和鋁瓦楞板的剛度對比研究分析

位占杭

帷森(廈門)建材工業有限公司

鋁蜂窩板和鋁瓦楞板的剛度對比研究分析

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現在建筑幕墻和內裝等行業都有很多采用鋁蜂窩板和鋁瓦楞板作為建筑的外維護結構和裝飾面材.本文就這兩種結構較接近的板材在剛度方面做個對比研究,除了結構分析外主要是還做了具體的承載試驗,通過具體數據來分析其在剛度方面的差異,能指導大家在項目使用上合理的設計和選擇.

鋁蜂窩板；鋁瓦楞板；板材剛度；蜂窩芯；瓦楞芯；剛度分析

1 引言

鋁蜂窩板和鋁瓦楞板都是優良綠色建材,如其在環保性能方面甲醛釋放量為E1級,防火性能達A級(A1).鋁材又是可回收重復利用材料.加上其重量輕和剛度高等優秀的力學性能,因此得到越來越廣泛的應用。鋁蜂窩板和鋁瓦楞板都是夾芯結構復合材料,它們的唯一差別是所用夾芯的區別,鋁蜂窩板用的是鋁質的蜂窩結構夾芯,鋁瓦楞板用的是鋁質瓦楞形夾芯,。下面就分析和測試它們的剛度差異。

2 夾芯結構分析

2.1 鋁蜂窩芯

鋁蜂窩芯的正六邊形的幾何形狀使之成為自然界中最合理的結構，這種形狀很好地分散了各個方向所受的外力，并相互支撐，使其成為一種完美的力學結構,再加雙面鋁板復合后就形成各個方向的小工字梁結構,得到受力均衡和結構穩定的特性，因此成為最理想的高抗彎剛度的復合芯材.這也是蜂窩結構最早在航天,航空等制造領域應用的原因。

2.2 鋁瓦楞芯

瓦楞芯的形狀形成豎向筋結構，即近似一系列類似U形的波浪截面，形成了很大的截面慣性矩I，剛度是彈性模量E與相應截面幾何性質I的乘積ExI，因此再雙面復合鋁板后就形成很好的抗彎剛度。但瓦楞芯有方向性，瓦楞芯的剛度優良指的是瓦楞的U形波浪截面作為慣性矩截面受力時，如果是其垂直方向時瓦楞芯本身就無優越的剛度可言了，在雙面復合鋁板后此方向還是能形成一定的剛度的，和U形波浪截面作為慣性矩截面時相差甚遠，剛度能力只剩下約1/3（參考試驗數據，我們對瓦楞板兩個不同方向的受力進行了測試）。這就是蜂窩芯的無方向性比瓦楞芯優點所在。

3 鋁蜂窩板與鋁瓦楞板的剛度實驗測試

3.1 測試板的參數條件

3.1.1 鋁蜂窩板:1片板.(A板)

(1)板 厚:25mm.板 尺 寸:1500mmX1500mm;(2)面 板:鋁AA3003,厚度:1.0mm；(3)背板:鋁AA3003,厚度:0.7mm；(4)蜂窩芯:鋁3003,厚度:0.07mm，六邊形邊長:8.5mm；(5)復合用膠粘劑:雙組份聚氨酯膠.（6）復合工藝：熱壓板。

3.1.2 鋁瓦楞板:2片板,(B板/C板)

(1)板 厚:25mm.板 尺 寸:1500mmX1500mm;(2)面 板:鋁AA3003,厚度:1.0mm；(3)背板:鋁AA3003,厚度:0.7mm；(4)瓦楞芯:鋁1000,厚度:0.3mm。(5)復合用膠粘劑:雙組份聚氨酯膠（6）復合工藝：熱壓板。

3.1.3 說明:蜂窩板和瓦楞板測試樣板除了芯材差異其它材質參數以及加工工藝相同。

3.2 測試工具

(1)鑄鐵砝碼（2KG,5KG,10KG,20KG系列).(2)擾度讀數百分表(0-50mm）.(3)支撐龍骨架.

3.3 測試條件

(1)跨距:1500mm.(2)靜載荷測試.(3)配重塊砝碼逐一均勻布置于受力面.

(4)板對邊兩端連接鋁角碼,螺釘固定于測試龍骨架上架空。（5）參考夾層結構彎曲性能試驗方法，GB/T1456-2005

4 測試結果

A板為鋁蜂窩板.

B板為鋁瓦楞板,定義為:瓦楞波浪截面做為受力慣性矩截面。

C板為鋁瓦楞板,定義為:瓦楞波浪截面的垂直方向截面做為受力慣性矩截面。

注：鋁瓦楞板的不同截面慣性矩是差別很大的。這就造成了其抗彎剛度的差異。

4.1 撓度與載荷數據表

4.1.1 A板測試數據表:載荷單位:KG.擾度單位:mm.

載荷撓度載荷撓度載荷撓度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板測試數據表:載荷單位:KG.擾度單位:mm.

載荷撓度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

載荷撓度載荷撓度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板測試數據表:載荷單位:KG.擾度單位:mm.

載荷撓度載荷撓度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 綜合分析對比曲線

以測試所得數據做出撓度和載荷曲線如下:換算成我們實際設計用載荷單位kN/m2表示;

在同樣載荷條件下,撓度值越小則說明板材抗彎剛度越大。(如圖所示)

4.3 結論：（在以上測試條件下）

4.3.1 當瓦楞芯波浪截面做為受力慣性矩截面時，鋁瓦楞板比鋁蜂窩板的抗彎剛度要好很多。如：載荷2.0kN/m2時，瓦楞板B撓度約6mm，蜂窩板A撓度達9mm。

4.3.2 當瓦楞芯波浪截面的垂直方向截面做為受力慣性矩截面時，抗彎剛度下降很多，而且 抗彎強度也較小，板材會存在載荷不大時突然破壞失效的情況。如：載荷1.0kN/m2時，A鋁瓦楞板撓度約3.5mm，而C鋁瓦楞板達9mm了,而且在載荷接近1.2 kN/m2時（見C板曲線結束點），C板材抗彎能力突然失效而凹陷破壞。

4.3.3 抗彎剛度強弱順序:B鋁瓦楞板〉A鋁蜂窩板〉C鋁瓦楞板。就是說在相當條件下，鋁瓦楞板當瓦楞芯波浪截面做為受力慣性矩截面時比鋁蜂窩板剛度還要高，鋁瓦楞板另一方向截面受力時抗彎剛度和強度比鋁蜂窩板要差。

4.3.4 在使用和設計鋁瓦楞板時注意其方向性不同而造成抗彎剛度不同，鋁蜂窩板抗彎能力沒有方向性。因此在設計要時結合實際項目的板材安裝跨距,安裝固定方式，當地風壓、雪壓等載荷情況合理地選擇板材和板材承載方式。

說明：此曲線是1500mm跨距，用帷森（廈門）建材工業有限公司生產的板材測試的結果。

[1]陳建東主編.金屬與石材幕墻工程技術規范應用手冊[S].中國建筑工業出版社.

[2]JG/T334-2012.中華人民共和國建筑工業行業標準[S].建筑外墻用鋁蜂窩復合板.

[3]GB/T1456-2005.中華人民共和國國家標準[S].夾層結構彎曲性能試驗方法.