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https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2020&filename=JZJB202004002&v=0dxdBFFT2iBuytY5rPL1EBwUl%25mmd2BoWqEBDzXqkR27iqnnV2HJggnTtKmpJEZr2aX%25mmd2Bb

01研究背景

單層網殼結構因其受力合理、形態優美、經濟性好等優點成為體育館、航站樓、影劇院、大型商場等大跨建筑廣泛采用的結構體系。為實現建筑工業化，單層網殼結構中常采用裝配式節點。與傳統焊接節點相比，裝配式節點更有利于保證工程質量，縮短施工工期，節約資源、減少環境污染。節點力學性能的削弱會引起單層網殼結構穩定承載力下降，而單層空間網格結構的穩定承載力是結構設計中的關鍵問題。因此，在研究裝配式單層網殼結構整體穩定性能研究前有必要明確裝配式節點的力學性能。

鋁合金材料自重輕、抗腐蝕能力強、生產標準化程度高，非常適用于裝配式單層空間網格結構。隨著鋁合金這種結構材料逐步受到設計師的認可，我國興建了多個鋁合金單層網殼結構。本文中以北京新機場航站樓C型柱上部的裝配式單層鋁合金網殼結構為研究對象研究其裝配式節點——板式節點的力學性能，基于空間梁單元-虛擬彈簧單元模型建立了考慮板式節點轉動剛度的單層鋁合金網殼數值模型，并對網殼的穩定性能進行研究。

圖1?北京新機場鋁合金采光頂

圖2 北京新機場單層鋁合金網殼

圖3 北京新機場單層鋁合金網殼分布

圖4 北京新機場鋁合金板式節點02研究內容

2.1 板式節點力學性能研究

板式節點在單層網殼中不能簡單視為剛接節點，節點力學性能直接影響鋁合金單層網殼的穩定性能。首先對工程中使用的兩種尺寸板式節點進行數值模擬，得到節點轉動剛度和極限承載力。

J1型板式節點發生破壞時，螺栓螺桿的中部截面應力超過不銹鋼材料的屈服應力進入塑性，螺栓表現出剪切破壞；連接板在螺栓孔處應力較大，構件進入塑性；桿件在螺栓孔附近進入塑性，桿件發生孔壁承壓破壞。

J2型板式節點加載至破壞時，螺栓全截面進入塑性，無法繼續承載，節點達到極限承載力，；連接板沿螺栓孔形成一條應力較大的帶狀區域，構件進入塑性，連接板發生拉剪破壞；桿件在螺栓孔附近進入塑性，桿件發生承壓破壞。

圖5 J1型板式節點各構件Mises應力云圖

圖6 J2型板式節點各構件Mises應力云圖

2.2 裝配式單層鋁合金網殼穩定性研究

2.2.1?裝配式單層網殼有限元模型

基于空間梁單元-虛擬彈簧單元有限元模型，建立了考慮板式節點轉動剛度的單層鋁合金網殼數值模型。有限元模型中，選用beam189單元模擬桿件，選用非線性彈簧單元combin39模擬板式節點三個方向的轉動能力，選用軸向彈簧單元combin14模擬板式節點的平動剛度，將combin14彈簧單元軸向剛度設置為無窮大以耦合節點的平動自由度。

圖7?空間梁單元-虛擬彈簧單元有限元模型

圖8 單層鋁合金網殼數值模型

2.2.2 結構線性屈曲分析

建立節點分別為剛接和考慮板式節點轉動剛度的C1型和C2型單層鋁合金采光頂結構有限元模型，對各結構進行線性屈曲分析，得到結構前若干階屈曲模態。

圖9 剛接C1型單層鋁合金網殼屈曲模態

圖10 板式節點C1型單層鋁合金網殼屈曲模態

圖11 剛接C2型單層鋁合金網殼結構屈曲模態

圖12 板式節點C2型單層鋁合金網殼結構屈曲模態

2.2.3?考慮幾何非線性結構穩定性

僅考慮結構幾何非線性，對剛接和考慮板式節點轉動剛度的C1型和C2型單層鋁合金采光頂結構進行穩定計算。單層網殼初始缺陷最大值按跨度的1/300取值。全過程分析得到剛接和考慮板式節點轉動剛度單層鋁合金網殼結構荷載-位移曲線和結構失穩時位移分布模式。

圖13 單層鋁合金網殼結構荷載-位移曲線

圖14 單層鋁合金網殼位移分布模式

2.2.4 考慮幾何非線性和材料非線性結構穩定性

全過程分析得到結構荷載-位移曲線和結構失穩時位移分布模式可知，剛接C1型單層鋁合金網殼結構失穩時單層網殼結構在靠近長軸右端出現凹陷。而考慮板式節點轉動剛度C1型單層鋁合金網殼結構失穩模式與剛接結構相似，發生凹陷的范圍比剛接結構小。

考慮幾何非線性和材料非線性時，剛接C2型單層鋁合金網殼結構失穩時上部單層網殼結構中部沿著長軸出現條狀凹陷。而考慮板式節點轉動剛度C2型單層鋁合金網殼結構失穩模式與剛接結構的相似，失穩時單層網殼結構中部沿長軸出現條狀凹陷。

圖15 單層鋁合金網殼荷載-位移曲

圖16 C2型單層鋁合金網殼位移分布模式

03結論

(1)?板式節點的破壞表現為不銹鋼拉鉚釘的剪切破壞、連接板沿著螺栓孔的拉剪破壞和桿件在螺栓孔處承壓破壞。

(2)?剛接節點和考慮板式節點轉動剛度單層鋁合金網殼的屈曲模態相似，各階屈曲特征值接近，主要變形為靠近環梁的桿件發生局部屈曲。

(3) 考慮板式節點轉動剛度會降低網殼的穩定承載力，其承載力約為剛接結構的90%；比較剛接結構，考慮板式節點轉動剛度對結構失穩模式影響不大。

(4) 僅考慮幾何非線性時，板式節點C1型和C2型單層鋁合金網殼結構整體穩定的結構安全系數分別為4.0和3.71；考慮幾何非線性和材料非線性時，板式節點C1型和C2型單層鋁合金網殼結構整體穩定的結構安全系數分別為2.85和2.79。

(5) 由于鋁合金材質無明顯的屈服臺階，彈性模量較小，考慮幾何非線性和材料非線性的穩定承載力比僅考慮幾何非線性的穩定承載力降低了將近30%，結構發生彈塑性失穩。因此，對鋁合金結構進行考慮雙非線性的整體穩定承載力分析是比較適合的。

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總結

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