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01研究背景

单层网壳结构因其受力合理、形态优美、经济性好等优点成为体育馆、航站楼、影剧院、大型商场等大跨建筑广泛采用的结构体系。为实现建筑工业化，单层网壳结构中常采用装配式节点。与传统焊接节点相比，装配式节点更有利于保证工程质量，缩短施工工期，节约资源、减少环境污染。节点力学性能的削弱会引起单层网壳结构稳定承载力下降，而单层空间网格结构的稳定承载力是结构设计中的关键问题。因此，在研究装配式单层网壳结构整体稳定性能研究前有必要明确装配式节点的力学性能。

铝合金材料自重轻、抗腐蚀能力强、生产标准化程度高，非常适用于装配式单层空间网格结构。随着铝合金这种结构材料逐步受到设计师的认可，我国兴建了多个铝合金单层网壳结构。本文中以北京新机场航站楼C型柱上部的装配式单层铝合金网壳结构为研究对象研究其装配式节点——板式节点的力学性能，基于空间梁单元-虚拟弹簧单元模型建立了考虑板式节点转动刚度的单层铝合金网壳数值模型，并对网壳的稳定性能进行研究。

图1 北京新机场铝合金采光顶

图2 北京新机场单层铝合金网壳

图3 北京新机场单层铝合金网壳分布

图4 北京新机场铝合金板式节点02研究内容

2.1 板式节点力学性能研究

板式节点在单层网壳中不能简单视为刚接节点，节点力学性能直接影响铝合金单层网壳的稳定性能。首先对工程中使用的两种尺寸板式节点进行数值模拟，得到节点转动刚度和极限承载力。

J1型板式节点发生破坏时，螺栓螺杆的中部截面应力超过不锈钢材料的屈服应力进入塑性，螺栓表现出剪切破坏；连接板在螺栓孔处应力较大，构件进入塑性；杆件在螺栓孔附近进入塑性，杆件发生孔壁承压破坏。

J2型板式节点加载至破坏时，螺栓全截面进入塑性，无法继续承载，节点达到极限承载力，；连接板沿螺栓孔形成一条应力较大的带状区域，构件进入塑性，连接板发生拉剪破坏；杆件在螺栓孔附近进入塑性，杆件发生承压破坏。

图5 J1型板式节点各构件Mises应力云图

图6 J2型板式节点各构件Mises应力云图

2.2 装配式单层铝合金网壳稳定性研究

2.2.1 装配式单层网壳有限元模型

基于空间梁单元-虚拟弹簧单元有限元模型，建立了考虑板式节点转动刚度的单层铝合金网壳数值模型。有限元模型中，选用beam189单元模拟杆件，选用非线性弹簧单元combin39模拟板式节点三个方向的转动能力，选用轴向弹簧单元combin14模拟板式节点的平动刚度，将combin14弹簧单元轴向刚度设置为无穷大以耦合节点的平动自由度。

图7 空间梁单元-虚拟弹簧单元有限元模型

图8 单层铝合金网壳数值模型

2.2.2 结构线性屈曲分析

建立节点分别为刚接和考虑板式节点转动刚度的C1型和C2型单层铝合金采光顶结构有限元模型，对各结构进行线性屈曲分析，得到结构前若干阶屈曲模态。

图9 刚接C1型单层铝合金网壳屈曲模态

图10 板式节点C1型单层铝合金网壳屈曲模态

图11 刚接C2型单层铝合金网壳结构屈曲模态

图12 板式节点C2型单层铝合金网壳结构屈曲模态

2.2.3 考虑几何非线性结构稳定性

仅考虑结构几何非线性，对刚接和考虑板式节点转动刚度的C1型和C2型单层铝合金采光顶结构进行稳定计算。单层网壳初始缺陷最大值按跨度的1/300取值。全过程分析得到刚接和考虑板式节点转动刚度单层铝合金网壳结构荷载-位移曲线和结构失稳时位移分布模式。

图13 单层铝合金网壳结构荷载-位移曲线

图14 单层铝合金网壳位移分布模式

2.2.4 考虑几何非线性和材料非线性结构稳定性

全过程分析得到结构荷载-位移曲线和结构失稳时位移分布模式可知，刚接C1型单层铝合金网壳结构失稳时单层网壳结构在靠近长轴右端出现凹陷。而考虑板式节点转动刚度C1型单层铝合金网壳结构失稳模式与刚接结构相似，发生凹陷的范围比刚接结构小。

考虑几何非线性和材料非线性时，刚接C2型单层铝合金网壳结构失稳时上部单层网壳结构中部沿着长轴出现条状凹陷。而考虑板式节点转动刚度C2型单层铝合金网壳结构失稳模式与刚接结构的相似，失稳时单层网壳结构中部沿长轴出现条状凹陷。

图15 单层铝合金网壳荷载-位移曲

图16 C2型单层铝合金网壳位移分布模式

03结论

(1) 板式节点的破坏表现为不锈钢拉铆钉的剪切破坏、连接板沿着螺栓孔的拉剪破坏和杆件在螺栓孔处承压破坏。

(2) 刚接节点和考虑板式节点转动刚度单层铝合金网壳的屈曲模态相似，各阶屈曲特征值接近，主要变形为靠近环梁的杆件发生局部屈曲。

(3) 考虑板式节点转动刚度会降低网壳的稳定承载力，其承载力约为刚接结构的90%；比较刚接结构，考虑板式节点转动刚度对结构失稳模式影响不大。

(4) 仅考虑几何非线性时，板式节点C1型和C2型单层铝合金网壳结构整体稳定的结构安全系数分别为4.0和3.71；考虑几何非线性和材料非线性时，板式节点C1型和C2型单层铝合金网壳结构整体稳定的结构安全系数分别为2.85和2.79。

(5) 由于铝合金材质无明显的屈服台阶，弹性模量较小，考虑几何非线性和材料非线性的稳定承载力比仅考虑几何非线性的稳定承载力降低了将近30%，结构发生弹塑性失稳。因此，对铝合金结构进行考虑双非线性的整体稳定承载力分析是比较适合的。

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