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铝合金,铝合金盖板,铝合金螺栓球
4. 1 铝合金单层网壳节点
现有的较为成熟的铝合金单层网格结构节点体系为美国Temcor 公司的专利，但未见可参考的国外相关研究文献。其节点形式是在中心处交汇若干工字形截面杆件，于上下翼缘处各设一块铝合金盖板，每根杆件通过上下翼缘的紧固螺栓与铝合金盖板相连接。我国已建成并投入使用的多座铝合金单层网壳均采用了该节点体系。
在板式节点设计中，圆盘的直径、起拱量、螺栓( 孔) 的规格与数量及圆盘厚度为关键参数。其中圆盘直径需满汇杆件互不干涉的要求，圆盘起拱量取决于相应杆件与节点切平面的夹角。运用ANSYS 有限元软件对板式节点的杆件、节点板和螺栓进行受力分析得出: 螺栓以剪切破坏为主; 上下节点板均以正应力为主，越靠近边缘应力越小; 杆件一般不会发生材料的强度破坏。但其使用的分析模型中螺栓数量较少，导致单个螺栓应力较大而成为节点构造的薄弱环节。分析了板式节点在弹性范围内刚度随杆件截面的高度、宽度、腹板厚度和盖板厚度及直径等基本参数的变化规律，并通过拟合给出了节点绕杆件强轴弯曲刚度的计算公式。但其模型并未考虑螺栓连接的接触问题，仅给出了一种特定特征参数节点的刚度公式，适用性不强。为分析铝合金单层网壳板式节点的受力状况和破坏机理，采用有限元分析软件ANSYS 对典型节点进行了数值模拟，结果表明，节点板和连接螺栓具有相似的安全度，是板式节点中强度和刚度的部件，而杆件是板式节点中薄弱的部分，认为板式节点的破坏机理首先是杆件破坏、其次是节点板屈曲、是连接螺栓破坏。通过对板式节点进行有限元分析得出，杆件和盖板均在螺栓孔边缘处存在着应力集中，并从盖板外边缘向节点中心逐步减轻，杆件与盖板接触面处应力较大，但整体来看杆件与盖板均有较高的安全性; 通过关键点的位移计算了节点绕杆件强轴的弯曲刚度，并认为该节点为半刚性节点。由于其模型中未考虑螺栓，所以不能反映螺栓与杆件及节点板的相互作用，也未能对螺栓的失效特征进行研究。为验证铝合金板式节点的强度和刚度，对其进行了数值模拟，结果表明，正常工作状态下节点板和螺栓应力均较小，得出了节点的弯矩-转角曲线并认为节点刚度满足刚接假定。
综 上所述，可以看出铝合金单层网壳结构板式节点的研究尚存在一些不足，其中包括: 1) 试验研究匮乏，大多数研究仅局限于数值模拟，缺乏试验验证; 2) 有限元分析模型中均未考虑螺栓的预紧力，有些模型中仅考虑了节点耦合并未建立螺栓的实体模型; 3) 大多数有限元分析模型忽略了面内弯矩作用，实际上板式节点的面内抗弯刚度相比于面外抗弯刚度小得多，所以该简化假定的合理性有待进一步研究。对其他形式的铝合金单层网壳节点，国内外学者亦进行了一些研究。对一种用于箱型截面杆件连接的铝合金单层网壳铸铝__节点进行了试验研究与数值分析，结果表明，该铸铝节点平面外的抗弯刚度明显高于平面内的抗弯刚度，指出不利截面在螺栓孔削弱处，在设计中保证强度的前提下应适当减少螺栓孔数量，提出了该铸铝节点承载力简化设计公式。该节点铸铝部分破坏形式为脆性破坏，虽然文献中建议在设计中考虑合适的安全系数以避免节点突然失效，但铸铝延性较差的特性依然制约了该节点形式的推广。为分析铝合金单层球面网壳嵌入式节点的刚性，Sugizaki等进行了详细的试验研究，包括节点的拉压试验、单个三角形网格单元的受压与绕强、弱轴受弯试验，认为该节点为面外刚接、面内半刚接。Sugizaki 等使用NASTRAN 软件对节点进行了有限元分析，考察了节点区域杆件变截面部分和嵌槽与杆件接触部位的应力，另外还对节点刚性进行了定量评价。Hiyama 等对铝合金单层网壳螺栓球节点进行了试验与数值模拟，提出了节点刚度和承载力近似计算公式，结果表明，薄弱区域不会出现脆性断裂，并且节点刚度和承载力随连接构件截面增大而提高。
4. 2 铝合金双层网壳及网架节点
对FAST 工程主动反射面铝合金双层网壳结构的节点进行研究，选择使用高强螺栓连接的嵌入式节点，进行缩尺模型试验，结果表明，节点位移高于理论计算值，原因是铝合金嵌入式节点连接刚性较弱，导致结构变形较大，可通过节点构造来克服这一缺陷，但并未提出具体改进方案。
上述对铝合金螺栓球节点的试验研究均局限于受力性能方面，未考虑节点刚性及其对结构整体性能的影响，也没有建立节点精细模型进行数值模拟。
（作者：曹经理 来源：郑州鑫兆铝灰铝渣回收公司）
