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01 研究背景

      单层网壳结构由于其具有结构受力合理、造价经济、造型美观多样等优点，在空间结构中得到了广泛的应用。铝合金材料由于重量轻、强度高、耐腐蚀性强、加工性能好等优点，近年来不断被应用到土木工程领域。铝合金单层网壳结构兼具单层网壳结构和铝合金结构的优点，且对各种自由曲面形式的适应性强，因而近年来新建了许多采用铝合金单层网壳结构的工程。由于铝合金材料的焊接性能差，故铝合金构件多采用螺栓连接。目前铝合金节点的主要类型包括有板式节点，螺栓球节点以及双层网壳中的螺栓连接节点。其中板式节点是一种广泛应用于铝合金单层网壳中的节点形式，先前研究表明板式节点是一种半刚性节点，而且这种半刚性节点的力学性能很大程度上决定着单层网壳结构整体的稳定性。

      板式节点的破坏形式主要包括螺栓发生剪切破坏、连接板发生破坏和杆件发生破坏。节点发生螺栓剪切破坏，连接板和杆件的材料性能未得到充分的发挥，造成材料的浪费；节点发生连接板破坏，会造成网壳结构中数根杆件同时失效；相较于前两种破坏模式，节点发生杆件破坏时，材料利用更充分，对维持网壳的整体稳定更有利。本文主要针对节点的第三种破坏模式——杆件破坏，研究轴向力与面外力共同作用下板式节点的力学性能。通过对北京大兴机场铝合金玻璃采光顶板式节点的足尺模型进行试验和有限元分析，探究了该节点的力学性能、破坏模式，阐释了节点的破坏机理。

图1 北京大兴机场单层铝合金网壳及板式节点

02 研究内容

2.1 板式节点力学性能试验研究

      采用200吨反力架，面外力与轴向力均由50吨油压千斤顶施加，并通过拉压式力传感器进行控制。利用DH3816静态应变测试系统采集和记录应变片、位移计和传感器的测量数据。试件一侧杆件通过支座与反力架相连，称为约束肢；另一侧杆件由沿轴向水平放置的油压千斤顶施加荷载，称为加载肢。

图2 试验方案设计加载装置

在正式试验前进行预加载，预加载不超过预计节点承载力的10%。预加载之后，分级施加面外力和轴向力，每级加载30kN；当荷载达到240kN后，每级加载减小至15kN，继续加载直至构件发生破坏。每级加载完成后，持荷五分钟，再进行下一级加载。

2.2节点破坏形态

      节点约束肢I型杆件的腹板和翼缘之间发生了撕裂破坏；约束肢I型杆件的上下翼缘发生了弯曲，且上翼缘的弯曲程度大于下翼缘；上下连接板和虎克螺栓均保留完好；加载肢I型杆件亦未发生明显破坏。有限元解析得到的节点应力云图与试验结果一致，节点达到极限承载力时，约束肢腹板处应力最大；约束肢上下翼缘发生了弯曲变形；上下连接板处应力较小，上连接板处虎克螺栓应力大于下连接板处，但即使应力最大的虎克螺栓，也只有局部应力值达到材料的屈服应力，螺栓并未发生破坏；加载肢翼缘和腹板的应力均较小。可见，板式节点的破坏模式为约束肢I型杆件的破坏，杆件连接处具有较大的强度和刚度，并未发生破坏。

图3 板式节点破坏形态图

2.3 节点的破坏机理

      节点发生破坏的最主要特征是杆件在翼缘与腹板连接部位发生的撕裂破坏。在轴向力与面外力共同作用下杆件上翼缘及其与腹板交界处为高应力区，由于连接板对上翼缘有加强作用，随着荷载的施加，局部屈曲首先发生在上翼缘与腹板交界处，形成塑性铰。在竖向力N作用下，腹板受到沿弱轴方向弯矩作用，发生弯曲变形，致使在翼缘与腹板交界处发生撕裂破坏。针对这种破坏模式，对上下连接板间杆件的腹板进行加强处理，防止高应力区腹板发生局部屈曲，可以进一步提高节点的承载能力。

图4 节点破坏机理分析

2.4 荷载位移曲线

      试验测得的节点弯矩转角曲线表明，连接板两侧杆件相对转角最大为0.02rad，曲线大致可以分为两个阶段，阶段I节点转动刚度较大，随着弯矩值的增加，弯矩转角曲线的斜率变缓，节点转动刚度下降，进入阶段II。有限元模拟结果曲线同样包含I, II两个阶段，转动刚度比试验结果高约2%。

图5 板式节点的荷载位移曲线

03 结论

   1) 在压弯条件下，节点约束肢I型杆件在腹板和翼缘交界处发生撕裂破坏，上下翼缘发生了明显弯曲变形。这是由于连接板处杆件上翼缘及其与腹板交界处为高应力区，随着荷载的施加，上翼缘与腹板交界处首先发生局部屈服，形成塑性铰。在竖向力作用下，杆件腹板迅速发生弯曲变形，致使在翼缘与腹板交界处发生撕裂破坏。

   2) 节点的轴向和竖向荷载位移曲线均包含三个阶段：较陡的上升段I、较长的水平段II和较缓的下降段III。表明该节点在达到极限承载力前具有较大的刚度，达到极限荷载后发生塑性破坏，具有良好的变形能力和耗能性能。试验测得节点的轴向和竖向极限承载力分别为350kN和400kN。节点的弯矩转角曲线可分为斜率不同的两个阶段，其中阶段I斜率大，说明节点具有较大的转动刚度。

   3) 通过探究螺栓直径R、连接板厚度T、杆件翼缘厚度t三个结构参数对节点力学性能的影响，发现螺栓直径R对节点极限承载力影响最大，而连接板厚度T对节点转动刚度有最大的影响。北京大兴机场选用板式节点结构参数选取较为合理，若以提高节点材料利用率为优化目标，在保证节点极限承载力不变的前提下，可取连接板厚度T=10mm或杆件翼缘厚度t=8mm。

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