一种多边形格构式格栅-柱结构夹层板

摘要

本发明公开了一种多边形格构式格栅‑柱结构夹层板，包括上面板、下面板以及中间的多边形格构式格栅‑柱结构，所述多边形格构式格栅‑柱结构包括格栅壁以及设置在格栅壁交汇处的加强柱，其特征在于：所述格栅壁为格构式，所述格栅壁包括框架以及位于框架内的空格，所述框架由上边框、下边框以及位于上边框与下边框之间的连接件组成，所述加强柱直径或边长大于格栅壁厚度。本发明夹层板加强柱只承担竖向荷载，格构式格栅壁只承受弯矩作用，各自分工明确，又能充分发挥材料性能，材料利用率更高。在此基础上，再通过在格构式格栅壁上下两端设置加强筋，进一步增强夹层板的抗压、抗弯以及整体性能。

权利要求

1.一种多边形格构式格栅-柱结构夹层板，包括上面板、下面板以及中间的多边形格构式格栅-柱结构，所述多边形格构式格栅-柱结构包括格栅壁以及设置在格栅壁交汇处的加强柱，其特征在于：所述格栅壁为格构式，所述格栅壁包括框架以及位于框架内的空格，所述框架由上边框、下边框以及位于上边框与下边框之间的连接件组成，所述加强柱直径或边长大于格栅壁厚度。

2.根据权利要求1所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：在所述上边框和下边框内设置有加强筋。

3.根据权利要求2所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述加强筋为通过预张拉形成的多曲拱预应力加强筋。

4.根据权利要求1、2或3所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述空格为圆形空格或多边形空格。

5.根据权利要求4所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述多边形空格为三角形空格或四边形空格。

6.根据权利要求1、2或3所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述多边形格构式格栅-柱结构的多边形格栅为三角形栅格、四边形格栅或六边形格栅。

7.根据权利要求4所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述加强柱为多边形柱或圆柱。

8.根据权利要求7所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述加强柱为实心或空心。

9.根据权利要求1所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：所述上面板和/或下面板为平面板或曲面板。

10.根据权利要求1所述的多边形格构式格栅-柱结构夹层板，其特征在于：在夹层板的边缘设置前述夹层板之间连接的凹槽与突起。

说明书

一种多边形格构式格栅-柱结构夹层板

技术领域

[0001] 本发明涉及一种夹层板，尤其涉及一种中间为多边形格构式格栅-柱结构式夹层板。

背景技术

[0002] 在节能环保已经成为产品主要评价指标的今天，新型轻型结构的研究受到人们的重视。夹层夹芯板以其重量轻、刚度大、可设计性强等特点成为航空、航天、铁路、汽车、建筑等领域不可缺少的结构之一。由于一开始制作成本较高，上世纪50年代起主要用于航空航天领域。后随着科技进步，工艺方法的改进逐渐应用到其他工业领域。制作夹层板的材料有纸质、复合材料、金属等。夹层板轻质高强的特点主要由于其中间多边形格栅所形成的芯层结构。但现有的夹层板芯层结构中，多为格栅壁相互连接而成，也有的在格栅壁连接处设置小柱，但其本身并不是最优化多边形格栅夹层板结构，由于存在以下三个缺点：1)当夹层板承受垂直于面板的荷载时，芯层的格栅结构处于受压状态下，格栅壁之间的连接处的关键区域在竖向荷载下易产生扭转，从而导致格栅壁发生一个半波的平面外屈曲变形，对格栅结构的抗压强度有很大的不利影响；2)当夹层板承受垂直于面板的荷载时，在芯层结构中主要承受竖向力作用的是格栅壁交汇处。这是由于格栅壁本身由于自身很薄，易产生平面外的屈曲变形，因此所能承受的竖向力作用很有限；3)夹层板在弯矩作用下，一方面通过上下面板提供的反力矩来抵抗弯矩作用，另一方面也通过芯层结构中的格栅壁来抵抗弯矩作用。但根据结构抗弯原理可知，格栅壁沿高度方向上下两端的材料分别处于受压及受拉状态，其内部应力也是最大的。而格栅壁中间部位应力很小，不能充分利用材料，又会增加夹层板重量。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种质量轻，材料利用率高，能发挥材料最大性能的一种多边形格构式格栅-柱结构式夹层板。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种多边形格构式格栅-柱结构式夹层板，包括上面板、下面板以及中间的多边形格构式格栅-柱结构，所述多边形格构式格栅-柱结构包括格栅壁以及设置在格栅壁交汇处的加强柱，其特征在于：所述格栅壁为格构式，所述格栅壁包括框架以及位于框架内的空格，所述框架由上边框、下边框以及位于上边框与下边框之间的连接件组成，所述加强柱的直径或边长大于格栅壁厚度。

[0006] 本发明多边形格构式格栅-柱结构夹层板的格栅壁为格构式，该结构的优势在于，即充分发挥格构式格栅壁重量轻、抗弯刚度好的特点，又充分发挥加强柱的抗压能力，上下边框内部的加强筋可进一步提高本夹层板强度。

[0007] 在所述上边框和下边框内设置有加强筋。

[0008] 所述加强筋可为通过预张拉形成的多曲拱预应力加强筋。

[0009] 在格构式格栅壁的基础上，通过在格构式格栅壁内部设置加强筋，并可根据实际工程对加强筋施加预应力以形成多曲拱预应力加强筋，进一步提高整个夹层板的抗压强度、抗弯强度和整体性。

[0010] 所述空格为圆形空格或多边形空格。

[0011] 所述多边形空格为三角形空格或四边形空格。

[0012] 所述多边形格构式格栅-柱结构的多边形格栅为三角形栅格、四边形格栅或六边形格栅等。

[0013] 所述加强柱为多边形柱或圆柱。

[0014] 所述加强柱为实心或空心。

[0015] 所述上面板和或下面板为平面板或曲面板。

[0016] 与传统夹层板中多边形格栅连接形成的芯层结构不同，本发明虽然也是夹层板，但其芯层结构实际上主要是由加强柱和格构式格栅壁构成，更重要的是其受力模型产生了根本性变革。由上述传统夹层板存在的三个主要缺点分析可知，当传统夹层板受到竖向荷载或者弯矩作用时，其芯层结构并不能充分发挥材料所对应的抗压或抗弯性能。而本发明夹层板的力学模型为：加强柱只承担竖向荷载，格构式格栅壁只承受弯矩作用，各自分工明确，又能充分发挥材料性能，材料利用率更高。在此基础上，再通过在格构式格栅壁上下两端设置加强筋，进一步增强夹层板的抗压、抗弯以及整体性能。

附图说明

[0017] 图1为本发明多边形格构式格栅-柱结构夹层板(四边形)实例示意图，加强柱为实心圆柱。

[0018] 图2为本发明结构总体示意图。

[0019] 图3为本发明多边形格构式格栅-柱结构式夹层板(三角形)实例示意图，加强柱为空心圆柱。

[0020] 图4为本发明多边形格构式格栅-柱结构式夹层板抗压增强原理的受力分析图。

[0021] 图5为传统格栅夹层板芯层结构抗压受力分析图。

[0022] 图6为本发明多边形格构式格栅-柱结构式夹层板抗弯强度增强原理的受力分析图。

[0023] 图7为传统格栅夹层板芯层结构抗弯受力分析图。

[0024] 图8为本发明多边形格构式格栅-柱结构式夹层板格栅壁的结构示意图，其中a由两个连接件形成3个三角形空格，b由两个连接件形成4个三角形空格，c由5个连接件形成8个三角形空格。

[0025] 图9为本发明多边形格构式格栅-柱结构式夹层板格栅壁的多曲拱预应力加强筋原理示意图(以单个格栅壁为例)。

[0026] 图中编号：1、下面板，2、多边形格构式格栅-柱结构，3、格栅壁，31、框架，311、上框架、312、下框架，313、连接件，32、空格，4、加强柱，5、加强筋，6、上面板，7、格栅三角形单元，9、加强筋A，10、加强筋B，11、加强筋A的锚固件，12、弯曲拱轴线。

具体实施方式

[0027] 本发明实施例以四边形格栅单元为例，该多边形格构式格栅-柱结构式夹层板示意图如图1、图2所示，包括上面板6、下面板1以及多边形格构式格栅-柱结构2。其中多边形格构式格栅-柱结构2包括格栅壁3和加强柱4，加强柱4位于格栅壁3的交汇处。格栅壁3为格构式，包括框架31以及位于框架内的空格32。框架31由上边框311、下边框312以及位于上边框与下边框之间的连接件313组成，加强柱4的直径或边长大于格栅壁3厚度。在上边框311和下边框312内设置有加强筋。

[0028] 下面分别从抗压强度、抗弯强度以及双曲拱预应力加强筋的增强原理来说明多边形格构式格栅-柱结构加筋夹层板的力学性能。

[0029] 抗压强度的增强原理：

[0030] 根据结构稳定理论可知，在竖向荷载作用下，格栅壁交汇处的开口十字形截面(如图5所示)易产生扭转，导致格栅壁会发生平面外屈曲变形，此时格栅壁中部的平面外凸曲程度最大。为使得格栅壁交汇处的开口十字形截面不发生扭转，则在格栅壁交汇处设置加强柱。而加强柱对抗压强度的增强原理解释如下：

[0031] 以图4格栅壁A为例，可以从几何结构上非常直观地揭示出蕴藏在加强柱结构中抗压的奥秘：位于格栅壁交叉处的加强柱，不仅是均摊的四分之一加强柱4面积(图4，90°所标之处)对格栅壁A的平面外抗弯刚度作了贡献，实际上均摊给格栅壁B和D的加强柱面积(图4，θ2L,θ2R所标之处)也对格栅壁A的侧向抗弯刚度作了贡献。按此类推，加强柱4对格栅壁A的抵抗矩的贡献只有θ4L,θ4R是独立的，而另外θ2L,θ3L，θ2R,θ3R分别与格栅壁B和D共享。尽管传统格栅结构在交叉处也存在共享现象(图5，θ2L,θ3L，θ2R,θ3R)，但通过比较图4和图5可知，加强柱4结构具有如下特征：1)交叉处共用的面积明显增加，即多了图5中五角星所标的部分；2)且该共享部分的面积远离Y轴，对Y轴的截面抵抗矩的贡献大，因此仿生蜂窝板中加强柱结构使得格栅壁具有更好的侧向抗弯性能。再加之从轴压构件稳定理论可知，在格栅壁交汇处设置加强柱之后，原先传统格栅结构中格栅壁交汇处的开口十字形截面则转为闭口矩形截面，大大增加了格栅壁交汇处的抗扭转能力，与之连接的格栅壁则可以承担更大的竖向荷载。由此说明加强柱的共享抗侧弯机制实现了对传统格栅结构的强化作用。由于传统多边形格栅夹层板的格栅壁交汇处易发生扭转，因此格栅壁不得不也承担相当一部分的竖向荷载。但由于格栅壁本身也易产生平面外凸曲变形，特别是格栅壁中部的变形最大，因此传统多边形格栅夹层板整体抗压强度较低。而且本发明采用格构式或空腹式格栅壁，不但减轻了整个夹层板的重量，而且巧妙去除了格栅壁受压变形量最大的部位。因此可显著减小格栅壁结构的平面外变形。

[0032] 需要说明的是：本发明中采用的是格构式或是空腹式格栅壁，并不起主要的承担竖向荷载的作用。本发明夹层板的竖向荷载主要由加强柱来承担，格构式格栅壁可以承担一定量的竖向荷载，但仅仅作为一种“安全保障”，而不计入本发明夹层板的抗压承载力。

[0033] 抗弯强度的增强原理：

[0034] 根据结构抗弯原理可知，夹层板在弯矩作用下，一方面通过上下面板提供的反力矩来抵抗弯矩作用，另一方面也通过芯层结构中的格栅壁来抵抗弯矩作用。当夹层板面板厚度及芯层高度相同时，面板所能承担的弯矩作用是相同的。因此下面通过分析芯层中格栅壁的抗弯原理来说明本发明中采用格构式格栅壁以及设置加强筋的原因。

[0035] 图6为本发明的格构式格栅壁，图7为传统夹层板芯层格栅结构。在弯矩M0作用下，格栅壁上端处于受压状态，下端处于受拉状态。此时，两种情况下格栅壁内部的材料应力分别如图6和图7右侧所示。传统夹层板芯层格栅壁呈现出上下两端应力大(高应力区)，中间应力小(低应力区)的特点，如图7所示。因此虽然格栅壁中间部位为实心结构，但其材料强度发挥的性能很小，使得材料利用率较低。因此本发明中采用格构式(或空腹式)格栅壁，并在其上下两端设置加强筋，其在弯矩M0作用下应力分布如图6所示：将材料利用率不高的格栅壁中间部位改为格构式，并用加强筋补强，使其产生额外的M加强筋来提供夹层板的抗弯承载力。整个格构式格栅壁只保留高应力区，这样即充分利用材料性能，又能产生很好的抗弯性能和整体性。中间的两个支撑是为了进一步提高格构式格栅壁受压侧的强度。且支撑形式可有多种形式，包括但不限于图8所示形式。

[0036] 双曲拱预应力加强筋的增强原理：

[0037] 首先介绍施工工艺：

[0038] 1.根据格栅壁尺寸，将加强筋5固定在如图9的9和10所示位置。

[0039] 2.对加强筋A(图9中标号9处)进行预张拉(本发明工程使用时，预张拉加强筋在下侧)，根据工程需要确定预张拉量。

[0040] 3.在连续格栅壁的两侧对预应力加强筋进行锚固11(图9中以单个格栅壁为例)。

[0041] 4.浇筑或倒入树脂与纤维的混合复合材料，等待其凝固成型，将预应力加强筋A从格栅壁两端剪断，使得预先张拉的预应力施加在格栅壁上。

[0042] 由于加强筋A中施加了预应力，因此加强筋A本身处于受拉状态，因此在加强筋A周围的格栅壁则处于受压状态。格栅壁为了平衡加强筋A对其产生的压力，因此格栅壁上端，即加强筋B所位置则处于受拉状态。因此整个格栅壁呈现出微小的拱轴线12，如图9虚线所示。当竖向荷载作用在格栅壁上时，外荷载需首先平衡由弯曲拱轴线所提供的弯矩，因此可显著提高格栅壁的抗弯强度及抗裂强度。

[0043] 上述为一个方向格栅壁加强筋施加预应力的情况。根据图1所示，当格栅单元为四边形时，其格栅壁有两个方向。因此在这两个方向上的加强筋分别施加预应力，可形成双曲拱预应力加强筋。这将大大提高本发明夹层板的抗弯性能和整体性。

[0044] 因此，综上所述，本发明中的格构式格栅壁，加强柱以及多曲拱轴线预应力加强筋可显著提高本发明夹层板的抗压性能、抗弯性能以及整体性，最终得到重量轻、强度高的夹层板。本发明所述的格构式格栅-柱结构夹层板适用于交通运输、家具建筑、乃至航空航天等广泛领域。当使用环境及力学性能要求不变的情况下，可显著减少产品及材料的用量，从而达到绿色环保的目的，对社会经济都会产生有利的影响。