蜂窝板(图1)基于仿生学原理设计而成，它由上、下两层薄而强的面板材料和中间夹一层厚而轻的蜂窝芯组成，蜂窝芯材制作的灵感来源于大自然中的蜂窝，这种结构和三明治类似，因此又被称作蜂窝夹层结构。由于蜂窝芯是由一个个孔洞组成，实体面积很小，因此蜂窝板整体质量很轻，同时其具有强度高、刚度大、隔声、隔热、耐火等优点，因而被广泛应用于航空航天、船舶、汽车和建筑领域。

图1 蜂窝板效果

蜂窝结构的制备有胶黏法和钎焊法两种，又可分为拉伸法和成型法。拉伸法即先在材料上贴胶条后拉伸成型并切割成条形结构。这种方法制作效率高，制造的蜂窝芯精度低、平压强度不高，适用于对尺寸或者强度要求不高的建筑装饰行业，例如屋面装饰板等。成型法是较为新颖的方法，即先将材料压制成波纹状板后用胶粘或焊接将这些板叠合连接，这种方法整体性好，平压强度高，但制作效率较低。在常用的建筑结构中，胶黏剂仍为常用的连接方式，采用胶粘的蜂窝芯结构的力学性能受胶黏剂的性能所影响，不同胶黏剂的强度、使用寿命等都有所不同，因此研究蜂窝板结构的耐久性能是很有必要的。

结构耐久性评价的针对性指标通常需要根据不同的使用要求进行设定，蜂窝结构根据不同的工作条件关注的对象也不相同，其中力学性能是一个很重要的评价指标，根据蜂窝夹层结构不同的受力方式研究的力学性能有平压强度、侧压强度、弯曲强度等。作为屋面板材料的蜂窝板结构，板面主要承受风雪荷载、施工荷载和检修荷载的影响，因此重点考虑蜂窝板的平压性能。

许多学者对于蜂窝结构的常温短期平压性能进行了充分的研究。研究表明：准静态压缩过程中蜂窝板结构最先会出现线弹性阶段，然后在超过线弹性阶段后，根据材料、连接方法和单蜂窝尺寸不同会产生不同的复杂变形形式。Gibson等首先采用梁模型对蜂窝板在准静态压缩下的变形模式以及失稳破坏现象进行了研究分析，提出了蜂窝结构失稳存在弹性屈曲和塑性压溃这两种典型机制。Lee H等学者研究了不同温度下蜂窝板的平压剪切性能，证明了力学性能随着温度的升高而逐渐降低。Kobayashi H等对加载速率进行了研究分析，得出结论：随着加载速率的提高，试件平压强度增大。此外，周祝林等根据平压变形的形态模式总结了变形阶段的理论计算公式。上述研究表明，由于平压强度受多种因素的影响，在进行平压强度试验时需要严格控制加载速率、试验环境变量等。

本文对拟应用在太子城站屋面结构的钛锌蜂窝板蜂窝芯层进行耐久性试验研究。选取了市场占有份额较大的4类蜂窝板结构，设计高温加速老化试验方法，对其分别进行准静态压缩试验测试其平压强度，通过分析其平压强度变化特征评价各类蜂窝板的耐久性能，从而指导后续设计选择合适的蜂窝板。

太子城站是位于张家口市崇礼县太子城村的一座高铁车站，作为2022年冬奥会配套工程，为满足客运需求，车站规模3台4线，整体采用双曲弧面造型，站房高度为16.8 m。太子城站屋面板采用蜂窝板。作为建筑的屋面板，需要满足保温隔热的效果，同时由于长期与室外环境接触，需要保证具有极佳的使用寿命，在雨水、风雪作用下，能长期满足使用要求。本工程中，设计使用年限为25 a。太子城站与屋面效果如图2所示。

a—太子城站；b—屋面板。图2 太子城站与屋面结构效果

本试验为对静载作用下蜂窝芯层的耐老化性能评价，以ISO 11346标准为基础，对蜂窝芯层进行高温加速老化试验。

根据阿累尼乌斯方程(Arrhenius equation)可得出温度变化的反应速率变化公式：

(1)

式中：k1,k2分别为温度T1,T2时的反应速度常数；Ea为试验活化能，J/mol；T1,T2为绝对温度，K；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)。

由式(1)可知：温度可以影响反应速率，温度每升高10 K，反应速率约增加2～4倍，即对应的产品使用时间降低50%以上。采用保守的近似规律，判定温度每升高10 K，反应速率增加2倍。根据蜂窝粘结常用黏结剂情况，初步选择加速温度为110 ℃。

根据地勘报告结果，崇礼县地区的平均气温为4.2 ℃，保守选取分析的平均气温为10 ℃，因此考虑钛锌蜂窝板所处环境温度为10 ℃，相应的加速温度对应的热力学温度升高等级为：(110-10)/10=10。

当结构存在25、30 a的耐老化性能需求时，则需要的高温加速老化试验时间为：t25a=(25×365)×=9 d，t30a=(30×365)×=11 d。

相应的加速老化试验时间和耐老化测定年限的对照关系如表1所示。假定若老化后试样与同规格件老化前控制指标偏差超过±15%时，认定为偏差结果较大，性能指标不再满足设计需求；指标偏差小于±15%时，认定为控制指标偏差结果较小，满足质量控制需求。

表1 加速老化时间与耐久性老化测定年限的对应关系

根据4个厂家(A、C、D、E)提供的满足GB/T 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》要求的4种系列蜂窝芯试样60 mm×60 mm×20 mm进行试验研究，每个厂家各选取18个标准试件，均分为3组，每组6个试样，每组预留1个试样仅加速老化不进行准静态压缩。第一组直接进行准静态压缩试验，第二组在保温110 ℃下加速老化214 h后进行准静态压缩试验，第三组在保温110 ℃下加速老化256 h后进行准静态压缩试验。每组具体参数见表2。

表2 蜂窝芯层试验试件参数

试验前，需要进行蜂窝芯平压试件编号，编号为A(厂家)P(平压试验)0(老化天数)-1(组别)，如AP0-1。依据GB/T 1453—2005，平压强度σ按式(2)计算。

(2)

式中：p为压溃荷载，不同于规范要求，此处p为蜂窝芯压缩后的稳定荷载；a为试样边长。

平压试验采用东南大学的电子万能试验机(图3)进行，量程为300 kN，仪器型号为UTM5305。

图3 蜂窝芯层平压试验设备

准静态压缩试验时，以0.5 mm/min的速度将各蜂窝芯压缩完成，逐件测试试样的准静态压缩力，记录载荷特性曲线，读取压溃荷载，记录压溃形式。分析试样老化后平压强度与峰值强度，与老化前同批次试样对应数值对比，进行偏差性分析。

选取A厂家系列未高温加速老化的试件AP0-1，图4展示了试件的压溃状态与原样对比，试件压溃后呈扁平化且四周破坏严重，四周基本不能保持蜂窝形状。图5是AP0-1蜂窝芯试件平压过程的荷载-位移曲线。可知，蜂窝芯层在平压过程中经过弹性变形、塑性变形和失稳三个阶段。弹性变形阶段Ⅰ：在荷载-位移曲线上为斜直线，蜂窝芯呈现弹性变形。塑性变形阶段Ⅱ：蜂窝芯壁板间发生脱胶脆裂，出现塑性屈曲变形，平压强度迅速降低。失稳阶段Ⅲ：随着加载继续，壁板间约束失效，蜂窝芯逐渐被压合，且周边蜂窝结构逐渐破坏，当结构被压合后，平压强度维持在一个相对较低的平台上。

a—原样试件；b—典型试件压溃状态。图4 蜂窝芯层平压试件典型压溃状态与原样试件对比

根据Gibson等分析的变形机制，蜂窝芯层的压溃荷载取用平台段M中的平均荷载，如图5所示，为2766.6 N，代入式(2)中计算，得到平压强度为0.535 MPa。

图5 A系列典型蜂窝芯层平压试件典型荷载-位移曲线(AP0-1)

图6展示了15个A厂家系列蜂窝芯层平压后的形状变化，最右侧3个为原样试件。所有试件在平压后边缘破损严重，在加速老化的试件破损程度大于无老化试件。图7展示了不同老化时间各组试件的荷载-位移曲线。对比可知：随着老化时间延长，蜂窝芯所能承受的峰值荷载降低(图7中各曲线的顶点)。总体上，老化时间越长，蜂窝芯的承载能力会有所下降，但变化不大。且在老化时间较短时，同一组别各试件试验结果偏差较小，加速老化11 d时，个别试件的曲线相对整体平均值的偏离程度较大，说明该厂家生产的试件在高温加速老化后性能离散性较大，耐久性较差。

图6 A厂家系列蜂窝芯层试件试验后效果

a—加速老化0 d；b—加速老化9 d；c—加速老化11 d。

图7 A厂家系列蜂窝芯层平压试件不同老化时间荷载-位移曲线

选取各组构件的平缓段荷载值，通过式(2)计算平压强度、峰值强度，并计算平均值、标准差。表3展示了A厂家系列蜂窝芯层试件的平压强度和峰值强度。图8表示了A厂家系列蜂窝芯层平压强度和老化年限的关系。根据平压试验可知：A厂家系列老化后的蜂窝芯层的静力平压的平压强度相对于老化前的平压强度略有起伏，在9 d加速老化后，平压强度上升了0.56%；在11 d加速老化后，平压强度下降了5.61%，均没有超过设定的±15%的偏差标准。

图8 A厂家系列蜂窝芯层平压强度和老化年限关系

标准差可以反映数据的波动变化，所有标准差均处于较小水平，稳定性较好。由表3亦可知，随着老化时间的增加，蜂窝芯层所能承受的峰值荷载也在下降，强度性能出现衰减，同时老化时间越长，强度离散性增大。

表3 A厂家系列蜂窝芯层试件平压强度

图9展示了除A厂家系列外的其他各系列试验后效果。可知：各系列试验后试件状态各不相同，D厂家系列整体表现最好，边缘破坏较少且试件仍能保持方形，而其他系列均发生了水平向的变形。统计各系列的平压强度可知，D厂家系列平压强度远大于其他系列，由图9b中可以对比出该系列蜂窝排列更为紧密，且芯层板材较为厚实。由于各系列试件强度的初始值不同，因此计算出强度变化率(表4)后作柱状图，展示如图10所示，最右侧为相应年限对应的强度变化平均值。可知，所有系列的强度变化率均没有超过设定的±15%的指标偏差标准，且在老化年限为25 a时，大部分系列试件强度变化较小，各系列基本略有上升，属于强化阶段。在30 a时各系列基本上强度下降明显，因此将设计使用年限定为25 a较为合理。由平均值得出各厂家试件的耐久性较好，且随着老化年限的提高，平压强度总体上会降低，降低幅度小于5%，在允许范围内。

a—C厂家系列；b—D厂家系列；c—E厂家系列。图9 各系列蜂窝芯层试件试验后效果

表4 各系列试件平压强度及其变化率

图10 各厂家在老化年限25、30年的强度变化率对比

1)4个厂家的蜂窝板在老化年限为30 a以内平压强度变化率均没有超过设定的±15%的指标偏差，耐久性表现良好。

2)由于采用不同的制作工艺和连接材料，不同厂家的力学性能表现差异较大，当蜂窝芯排布更密实时，平压强度提高较为明显，同时平压后整体试件表现更好，能基本保持方形。

3)随着老化时间的提高，蜂窝板的平压强度总体上呈现下降趋势，在老化年限25 a内，各系列强度下降较小，且有部分系列强度甚至提高，设计使用年限定为25 a较为合理。

来源：蒋鸿鹄, 蒋洁菲, 张骞, 蔡建国. 太子城站钛锌蜂窝板芯层结构高温加速老化试验研究[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(8): 17-23.

doi: 10.13206/j.gjgS20040201