本發(fā)明涉及一種夾層板，尤其涉及一種中間為多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板。

背景技術(shù)：

在節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為產(chǎn)品主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的今天，新型輕型結(jié)構(gòu)的研究受到人們的重視。夾層夾芯板以其重量輕、剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)成為航空、航天、鐵路、汽車、建筑等領(lǐng)域不可缺少的結(jié)構(gòu)之一。由于一開(kāi)始制作成本較高，上世紀(jì)50年代起主要用于航空航天領(lǐng)域。后隨著科技進(jìn)步，工藝方法的改進(jìn)逐漸應(yīng)用到其他工業(yè)領(lǐng)域。制作夾層板的材料有紙質(zhì)、復(fù)合材料、金屬等。夾層板輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)主要由于其中間多邊形格柵所形成的芯層結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)有的夾層板芯層結(jié)構(gòu)中，多為格柵壁相互連接而成，也有的在格柵壁連接處設(shè)置小柱，但其本身并不是最優(yōu)化多邊形格柵夾層板結(jié)構(gòu)，由于存在以下三個(gè)缺點(diǎn)：1)當(dāng)夾層板承受垂直于面板的荷載時(shí)，芯層的格柵結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)下，格柵壁之間的連接處的關(guān)鍵區(qū)域在豎向荷載下易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致格柵壁發(fā)生一個(gè)半波的平面外屈曲變形，對(duì)格柵結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度有很大的不利影響；2)當(dāng)夾層板承受垂直于面板的荷載時(shí)，在芯層結(jié)構(gòu)中主要承受豎向力作用的是格柵壁交匯處。這是由于格柵壁本身由于自身很薄，易產(chǎn)生平面外的屈曲變形，因此所能承受的豎向力作用很有限；3)夾層板在彎矩作用下，一方面通過(guò)上下面板提供的反力矩來(lái)抵抗彎矩作用，另一方面也通過(guò)芯層結(jié)構(gòu)中的格柵壁來(lái)抵抗彎矩作用。但根據(jù)結(jié)構(gòu)抗彎原理可知，格柵壁沿高度方向上下兩端的材料分別處于受壓及受拉狀態(tài)，其內(nèi)部應(yīng)力也是最大的。而格柵壁中間部位應(yīng)力很小，不能充分利用材料，又會(huì)增加夾層板重量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種質(zhì)量輕，材料利用率高，能發(fā)揮材料最大性能的一種多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板，包括上面板、下面板以及中間的多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)，所述多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)包括格柵壁以及設(shè)置在格柵壁交匯處的加強(qiáng)柱，其特征在于：所述格柵壁為格構(gòu)式，所述格柵壁包括框架以及位于框架內(nèi)的空格，所述框架由上邊框、下邊框以及位于上邊框與下邊框之間的連接件組成，所述加強(qiáng)柱的直徑或邊長(zhǎng)大于格柵壁厚度。

本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)夾層板的格柵壁為格構(gòu)式，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，即充分發(fā)揮格構(gòu)式格柵壁重量輕、抗彎剛度好的特點(diǎn)，又充分發(fā)揮加強(qiáng)柱的抗壓能力，上下邊框內(nèi)部的加強(qiáng)筋可進(jìn)一步提高本夾層板強(qiáng)度。

在所述上邊框和下邊框內(nèi)設(shè)置有加強(qiáng)筋。

所述加強(qiáng)筋可為通過(guò)預(yù)張拉形成的多曲拱預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋。

在格構(gòu)式格柵壁的基礎(chǔ)上，通過(guò)在格構(gòu)式格柵壁內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋，并可根據(jù)實(shí)際工程對(duì)加強(qiáng)筋施加預(yù)應(yīng)力以形成多曲拱預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋，進(jìn)一步提高整個(gè)夾層板的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和整體性。

所述空格為圓形空格或多邊形空格。

所述多邊形空格為三角形空格或四邊形空格。

所述多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)的多邊形格柵為三角形柵格、四邊形格柵或六邊形格柵等。

所述加強(qiáng)柱為多邊形柱或圓柱。

所述加強(qiáng)柱為實(shí)心或空心。

所述上面板和或下面板為平面板或曲面板。

與傳統(tǒng)夾層板中多邊形格柵連接形成的芯層結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明雖然也是夾層板，但其芯層結(jié)構(gòu)實(shí)際上主要是由加強(qiáng)柱和格構(gòu)式格柵壁構(gòu)成，更重要的是其受力模型產(chǎn)生了根本性變革。由上述傳統(tǒng)夾層板存在的三個(gè)主要缺點(diǎn)分析可知，當(dāng)傳統(tǒng)夾層板受到豎向荷載或者彎矩作用時(shí)，其芯層結(jié)構(gòu)并不能充分發(fā)揮材料所對(duì)應(yīng)的抗壓或抗彎性能。而本發(fā)明夾層板的力學(xué)模型為：加強(qiáng)柱只承擔(dān)豎向荷載，格構(gòu)式格柵壁只承受彎矩作用，各自分工明確，又能充分發(fā)揮材料性能，材料利用率更高。在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)在格構(gòu)式格柵壁上下兩端設(shè)置加強(qiáng)筋，進(jìn)一步增強(qiáng)夾層板的抗壓、抗彎以及整體性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)夾層板(四邊形)實(shí)例示意圖，加強(qiáng)柱為實(shí)心圓柱。

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)總體示意圖。

圖3為本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板(三角形)實(shí)例示意圖，加強(qiáng)柱為空心圓柱。

圖4為本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板抗壓增強(qiáng)原理的受力分析圖。

圖5為傳統(tǒng)格柵夾層板芯層結(jié)構(gòu)抗壓受力分析圖。

圖6為本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)原理的受力分析圖。

圖7為傳統(tǒng)格柵夾層板芯層結(jié)構(gòu)抗彎受力分析圖。

圖8為本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板格柵壁的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a由兩個(gè)連接件形成3個(gè)三角形空格，b由兩個(gè)連接件形成4個(gè)三角形空格，c由5個(gè)連接件形成8個(gè)三角形空格。

圖9為本發(fā)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板格柵壁的多曲拱預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋原理示意圖(以單個(gè)格柵壁為例)。

圖中編號(hào)：1、下面板，2、多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)，3、格柵壁，31、框架，311、上框架、312、下框架，313、連接件，32、空格，4、加強(qiáng)柱，5、加強(qiáng)筋，6、上面板，7、格柵三角形單元，8、圓形空心柱，9、加強(qiáng)筋A(yù)，10、加強(qiáng)筋B，11、加強(qiáng)筋A(yù)的錨固件，12、彎曲拱軸線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例以四邊形格柵單元為例，該多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)式夾層板示意圖如圖1、圖2所示，包括上面板6、下面板1以及多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)2。其中多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)2包括格柵壁3和加強(qiáng)柱4，加強(qiáng)柱4位于格柵壁3的交匯處。格柵壁3為格構(gòu)式，包括框架31以及位于框架內(nèi)的空格32?？蚣?1由上邊框311、下邊框312以及位于上邊框與下邊框之間的連接件313組成，加強(qiáng)柱4的直徑或邊長(zhǎng)大于格柵壁3厚度。在上邊框311和下邊框312內(nèi)設(shè)置有加強(qiáng)筋。

下面分別從抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度以及雙曲拱預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋的增強(qiáng)原理來(lái)說(shuō)明多邊形格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)加筋?yuàn)A層板的力學(xué)性能。

抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)原理：

根據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論可知，在豎向荷載作用下，格柵壁交匯處的開(kāi)口十字形截面(如圖5所示)易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致格柵壁會(huì)發(fā)生平面外屈曲變形，此時(shí)格柵壁中部的平面外凸曲程度最大。為使得格柵壁交匯處的開(kāi)口十字形截面不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則在格柵壁交匯處設(shè)置加強(qiáng)柱。而加強(qiáng)柱對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)原理解釋如下：

以圖4格柵壁A為例，可以從幾何結(jié)構(gòu)上非常直觀地揭示出蘊(yùn)藏在加強(qiáng)柱結(jié)構(gòu)中抗壓的奧秘：位于格柵壁交叉處的加強(qiáng)柱，不僅是均攤的四分之一加強(qiáng)柱4面積(圖4，90°所標(biāo)之處)對(duì)格柵壁A的平面外抗彎剛度作了貢獻(xiàn)，實(shí)際上均攤給格柵壁B和D的加強(qiáng)柱面積(圖4，θ_2L,θ_2R所標(biāo)之處)也對(duì)格柵壁A的側(cè)向抗彎剛度作了貢獻(xiàn)。按此類推，加強(qiáng)柱4對(duì)格柵壁A的抵抗矩的貢獻(xiàn)只有θ_4L,θ_4R是獨(dú)立的，而另外θ_2L,θ_3L，θ_2R,θ_3R分別與格柵壁B和D共享。盡管傳統(tǒng)格柵結(jié)構(gòu)在交叉處也存在共享現(xiàn)象(圖5，θ_2L,θ_3L，θ_2R,θ_3R)，但通過(guò)比較圖4和圖5可知，加強(qiáng)柱4結(jié)構(gòu)具有如下特征：1)交叉處共用的面積明顯增加，即多了圖5中五角星所標(biāo)的部分；2)且該共享部分的面積遠(yuǎn)離Y軸，對(duì)Y軸的截面抵抗矩的貢獻(xiàn)大，因此仿生蜂窩板中加強(qiáng)柱結(jié)構(gòu)使得格柵壁具有更好的側(cè)向抗彎性能。再加之從軸壓構(gòu)件穩(wěn)定理論可知，在格柵壁交匯處設(shè)置加強(qiáng)柱之后，原先傳統(tǒng)格柵結(jié)構(gòu)中格柵壁交匯處的開(kāi)口十字形截面則轉(zhuǎn)為閉口矩形截面，大大增加了格柵壁交匯處的抗扭轉(zhuǎn)能力，與之連接的格柵壁則可以承擔(dān)更大的豎向荷載。由此說(shuō)明加強(qiáng)柱的共享抗側(cè)彎?rùn)C(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)格柵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用。由于傳統(tǒng)多邊形格柵夾層板的格柵壁交匯處易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此格柵壁不得不也承擔(dān)相當(dāng)一部分的豎向荷載。但由于格柵壁本身也易產(chǎn)生平面外凸曲變形，特別是格柵壁中部的變形最大，因此傳統(tǒng)多邊形格柵夾層板整體抗壓強(qiáng)度較低。而且本發(fā)明采用格構(gòu)式或空腹式格柵壁，不但減輕了整個(gè)夾層板的重量，而且巧妙去除了格柵壁受壓變形量最大的部位。因此可顯著減小格柵壁結(jié)構(gòu)的平面外變形。

需要說(shuō)明的是：本發(fā)明中采用的是格構(gòu)式或是空腹式格柵壁，并不起主要的承擔(dān)豎向荷載的作用。本發(fā)明夾層板的豎向荷載主要由加強(qiáng)柱來(lái)承擔(dān)，格構(gòu)式格柵壁可以承擔(dān)一定量的豎向荷載，但僅僅作為一種“安全保障”，而不計(jì)入本發(fā)明夾層板的抗壓承載力。

抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)原理：

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗彎原理可知，夾層板在彎矩作用下，一方面通過(guò)上下面板提供的反力矩來(lái)抵抗彎矩作用，另一方面也通過(guò)芯層結(jié)構(gòu)中的格柵壁來(lái)抵抗彎矩作用。當(dāng)夾層板面板厚度及芯層高度相同時(shí)，面板所能承擔(dān)的彎矩作用是相同的。因此下面通過(guò)分析芯層中格柵壁的抗彎原理來(lái)說(shuō)明本發(fā)明中采用格構(gòu)式格柵壁以及設(shè)置加強(qiáng)筋的原因。

圖6為本發(fā)明的格構(gòu)式格柵壁，圖7為傳統(tǒng)夾層板芯層格柵結(jié)構(gòu)。在彎矩M₀作用下，格柵壁上端處于受壓狀態(tài)，下端處于受拉狀態(tài)。此時(shí)，兩種情況下格柵壁內(nèi)部的材料應(yīng)力分別如圖6和圖7右側(cè)所示。傳統(tǒng)夾層板芯層格柵壁呈現(xiàn)出上下兩端應(yīng)力大(高應(yīng)力區(qū))，中間應(yīng)力小(低應(yīng)力區(qū))的特點(diǎn)，如圖7所示。因此雖然格柵壁中間部位為實(shí)心結(jié)構(gòu)，但其材料強(qiáng)度發(fā)揮的性能很小，使得材料利用率較低。因此本發(fā)明中采用格構(gòu)式(或空腹式)格柵壁，并在其上下兩端設(shè)置加強(qiáng)筋，其在彎矩M₀作用下應(yīng)力分布如圖6所示：將材料利用率不高的格柵壁中間部位改為格構(gòu)式，并用加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)，使其產(chǎn)生額外的M_{加強(qiáng)筋}來(lái)提供夾層板的抗彎承載力。整個(gè)格構(gòu)式格柵壁只保留高應(yīng)力區(qū)，這樣即充分利用材料性能，又能產(chǎn)生很好的抗彎性能和整體性。中間的兩個(gè)支撐是為了進(jìn)一步提高格構(gòu)式格柵壁受壓側(cè)的強(qiáng)度。且支撐形式可有多種形式，包括但不限于圖8所示形式。

雙曲拱預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋的增強(qiáng)原理：

首先介紹施工工藝：

1.根據(jù)格柵壁尺寸，將加強(qiáng)筋5固定在如圖9的9和10所示位置。

2.對(duì)加強(qiáng)筋A(yù)(圖9中標(biāo)號(hào)9處)進(jìn)行預(yù)張拉(本發(fā)明工程使用時(shí)，預(yù)張拉加強(qiáng)筋在下側(cè))，根據(jù)工程需要確定預(yù)張拉量。

3.在連續(xù)格柵壁的兩側(cè)對(duì)預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋進(jìn)行錨固11(圖9中以單個(gè)格柵壁為例)。

4.澆筑或倒入樹脂與纖維的混合復(fù)合材料，等待其凝固成型，將預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋A(yù)從格柵壁兩端剪斷，使得預(yù)先張拉的預(yù)應(yīng)力施加在格柵壁上。

由于加強(qiáng)筋A(yù)中施加了預(yù)應(yīng)力，因此加強(qiáng)筋A(yù)本身處于受拉狀態(tài)，因此在加強(qiáng)筋A(yù)周圍的格柵壁則處于受壓狀態(tài)。格柵壁為了平衡加強(qiáng)筋A(yù)對(duì)其產(chǎn)生的壓力，因此格柵壁上端，即加強(qiáng)筋B所位置則處于受拉狀態(tài)。因此整個(gè)格柵壁呈現(xiàn)出微小的拱軸線12，如圖9虛線所示。當(dāng)豎向荷載作用在格柵壁上時(shí)，外荷載需首先平衡由彎曲拱軸線所提供的彎矩，因此可顯著提高格柵壁的抗彎強(qiáng)度及抗裂強(qiáng)度。

上述為一個(gè)方向格柵壁加強(qiáng)筋施加預(yù)應(yīng)力的情況。根據(jù)圖1所示，當(dāng)格柵單元為四邊形時(shí)，其格柵壁有兩個(gè)方向。因此在這兩個(gè)方向上的加強(qiáng)筋分別施加預(yù)應(yīng)力，可形成雙曲拱預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋。這將大大提高本發(fā)明夾層板的抗彎性能和整體性。

因此，綜上所述，本發(fā)明中的格構(gòu)式格柵壁，加強(qiáng)柱以及多曲拱軸線預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)筋可顯著提高本發(fā)明夾層板的抗壓性能、抗彎性能以及整體性，最終得到重量輕、強(qiáng)度高的夾層板。本發(fā)明所述的格構(gòu)式格柵-柱結(jié)構(gòu)夾層板適用于交通運(yùn)輸、家具建筑、乃至航空航天等廣泛領(lǐng)域。當(dāng)使用環(huán)境及力學(xué)性能要求不變的情況下，可顯著減少產(chǎn)品及材料的用量，從而達(dá)到綠色環(huán)保的目的，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)都會(huì)產(chǎn)生有利的影響。