瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及其在土木工程上的研究方向

譚茜文 哈建德 王帥

摘? 要：瓦楞夾層結(jié)構(gòu)具有抗振、抗撞擊性好、比吸收能好等特點，在航天航空領(lǐng)域、交通運輸領(lǐng)域、包裝工程領(lǐng)域領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文針對目前瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行分析，提出瓦楞夾層結(jié)構(gòu)在土木工程上的研究方向。

關(guān)鍵詞：瓦楞夾層結(jié)構(gòu);研究現(xiàn)狀;土木工程;

1.瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

二十世紀八十年代，英國人Hilliard和Aaron將具有波紋形狀的紙制板夾在兩層面紙之間制成了瓦楞紙板，使得原本柔軟的紙張變成了剛度較大的紙板。這種瓦楞夾層結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于貨物運輸包裝箱的制作。瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用為工業(yè)革命帶來了新的思路和方向，其具有的良好性能被直接或間接地運用到工業(yè)中。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對瓦楞夾層板結(jié)構(gòu)的研究更加深入，研究內(nèi)容包括金屬、復(fù)合材料瓦楞夾層板，不同夾芯結(jié)構(gòu)瓦楞夾層板，兩者在平面壓縮、彎曲、動態(tài)沖擊等不同載荷下的力學(xué)性能研究，并取得了一系列的研究成果。

1.1金屬、復(fù)合材料瓦楞夾層板研究

不同的夾芯材料會導(dǎo)致瓦楞結(jié)構(gòu)夾層板性能發(fā)生變化。隨著科技的發(fā)展和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系母咭?，夾芯材料從木材慢慢發(fā)展成鋁，鋼，合金等金屬材料和玻璃鋼、碳纖維、芳族聚酞胺纖維等復(fù)合材料。Guodong Xu[1]等人設(shè)計并制造了一種3D環(huán)氧復(fù)合材料瓦楞夾層結(jié)構(gòu)，研究其力學(xué)行為及破壞機理。他們制備了具有不同梯度參數(shù)的3D環(huán)氧復(fù)合材料瓦楞夾層結(jié)構(gòu)試件，并進行壓縮和彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)梯度參數(shù)對3D環(huán)氧復(fù)合材料瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和破壞模式有明顯的影響。Wentao He[2]等人研究碳纖維增強聚合物面板和鋁合金瓦楞芯夾層結(jié)構(gòu)的低速沖擊響應(yīng)和沖擊后彎曲性能。通過低速沖擊試驗，研究這類結(jié)構(gòu)在沖擊載荷、吸收能量和破壞模式方面的抗沖擊性能。

1.2不同夾芯結(jié)構(gòu)瓦楞夾層板研究

不同構(gòu)型的夾芯結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致瓦楞夾層板性能各不相同。駱偉[3]等人研究瓦楞芯層幾何構(gòu)形對復(fù)合材料瓦楞夾層結(jié)構(gòu)沖擊特性的影響，他們發(fā)現(xiàn)不同幾何構(gòu)型夾芯層的復(fù)合材料瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的剛度差異較為明顯。Haifu Yang[4]等人設(shè)計并制造由兩層薄壁和梯形瓦楞芯組成的夾層板，通過落錘沖擊試驗，研究金屬梯形瓦楞芯夾層板在低速沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，沖擊能量對夾層板的動力響應(yīng)有顯著影響，而沖擊直徑對夾層板的動力響應(yīng)影響不大。趙樹蕓圍繞不同夾芯形狀的單層瓦楞夾層板結(jié)構(gòu)和不同排列方式及夾芯層數(shù)的多層瓦楞夾層板結(jié)構(gòu)進行試驗和仿真。Chengfu Shu[5]等人對不同布置形式的雙層瓦楞芯夾層在準靜態(tài)壓縮載荷下的能量吸收特性進行實驗研究。比較兩種不同排列方式的雙層夾層板的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對稱排列的瓦楞夾層板具有更好的能量吸收特性。Yang Sun等人采用連續(xù)損傷演化模型，設(shè)計并分析三種不同級配瓦楞夾層板結(jié)構(gòu)，提出一種基于抗彎強度和連續(xù)損傷評估的復(fù)合瓦楞夾層板結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

2.瓦楞夾層結(jié)構(gòu)在土木工程上的研究方向

由于瓦楞夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、高強的特點，使得其在民用建筑結(jié)構(gòu)中的屋頂、天花板、墻體等建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在筆者看來，瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點并不僅僅局限于民用結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。在未來，瓦楞夾層結(jié)構(gòu)還可以在道路工程、橋梁工程上大力推廣，如下：

1. 優(yōu)化瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的防撞性能。在實際的生活中，對于跨江跨海的橋梁，我們往往需要考慮橋墩的防撞設(shè)施。為了有效地緩沖船舶的沖擊力，將船舶對橋墩防撞設(shè)施的破壞降到最低，我們可以在防撞設(shè)施中引入了瓦楞夾層結(jié)構(gòu)。此外，我們還可以將瓦楞夾層結(jié)構(gòu)在高速公路汽車防撞護欄上推廣使用，可以增加設(shè)施的使用壽命。

2. 提高瓦楞夾層構(gòu)的防沖擊性。在道路工程中，道路的使用壽命往往取決于路基路面的抗沖擊性。為了有效地抵抗荷載對道路的沖擊力，延長道路的使用壽命，我們可能在路基中討論引用瓦楞夾層結(jié)構(gòu)。

3. 將瓦楞夾層結(jié)構(gòu)引入到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將工字鋼結(jié)構(gòu)加工成瓦楞夾層結(jié)構(gòu)，組成各種形式截面，極大地滿足了工程設(shè)計與工程制作的需求。

3.結(jié)語

相對于泡沫夾層結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)而言，瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的研究較少，在土木工程領(lǐng)域上的應(yīng)用面較窄。但是，瓦楞夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能好、承載效率高。因此，在未來的日子里，我們可以對瓦楞夾層結(jié)構(gòu)進行研究，將其推廣到土木工程領(lǐng)域上，以期在土木工程領(lǐng)域得到更廣泛的運用。

參考文獻：

[1] Guodong Xu，ZhihaiWang，TaoZeng，SuCheng，DainingFang.Mechanical response of carbon/epoxy composite sandwich structures with three-dimensional corrugated cores.Composites Science and Technology，Volume156，March2018，Pages296-304.

[2]Wentao He，Jingxi Liu，Shuqing Wang，De Xie.Low-velocity impact response and post-impact flexural behaviour of composite sandwich structures with corrugated cores.Composite？Structures，Volume 189，1April2018，Pages 37-53

[3]駱偉，謝偉，劉敬喜. 芯層幾何構(gòu)形對復(fù)合材料波紋夾層結(jié)構(gòu)沖擊特性的影響[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，（01）：21-26.

[4]Haifu Yang， Yuansheng Cheng， Pan Zhang， Jun Liu and Kai Chen.Experimental Investigation Into the Effect of Impact Loading on the Response of Metallic Trapezoidal Corrugated Core Sandwich Panels.ASME 2018 37th International Conference on Ocean， Offshore and Arctic Engineering.Volume 3： Structures， Safety， and ReliabilityMadrid， Spain， June 17–22， 2018

[5]Chengfu Shu，？Shuyun Zhao，？Shujuan Hou.Crashworthiness analysis of two-layered corrugated sandwich panels under crushing. loadingThin-Walled？Structures.Volume 133，December 2018，Pages 42-51.

作者簡介：譚茜文（1997.06—）女，本科在讀，學(xué)生，研究方向：道路工程。