吳金志，宋子魁，孫國(guó)軍，張毅剛，歐陽(yáng)元文，SHIRO Kato

(1 北京工業(yè)大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，北京 100124；2 上海通正鋁合金結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有限公司，上海 200949；3 豐橋科技大學(xué)建筑與土木工程系，愛(ài)知縣 441-8580)

0 引言

鋁是地殼中含量最高的金屬，鋁合金具有強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕以及便于加工和回收等優(yōu)點(diǎn)，因而其在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多。《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50429—2007)[1]的頒布實(shí)施更促進(jìn)了鋁合金結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用[2]。楊聯(lián)萍等[3]于2013年綜述了鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與科研進(jìn)展，并提出了一些需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。此后的6年來(lái)，不斷有新的大型鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建成，其中不乏百米級(jí)跨度的工程，關(guān)于鋁合金結(jié)構(gòu)的科研工作也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[4-5]。為了進(jìn)一步梳理目前的工程應(yīng)用和研究成果，本文在上述文章的基礎(chǔ)上，對(duì)近20年來(lái)鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用情況進(jìn)行了整理，分析了典型鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程的結(jié)構(gòu)形式及其受力特點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工方法，并著重論述了鋁合金材性本構(gòu)關(guān)系、構(gòu)件承載力以及鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)性能、整體穩(wěn)定性能、抗震性能和溫度影響等最新科研成果。在此基礎(chǔ)上，探討了該領(lǐng)域今后需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題，并提出了若干建議。

1 工程應(yīng)用

鋁合金單層網(wǎng)殼不僅應(yīng)用于游泳館、溫室及儲(chǔ)煤倉(cāng)等腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境，也廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)館、展覽中心、交通樞紐及工業(yè)廠(chǎng)房等建筑。近年鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用情況見(jiàn)表1和圖1，除北京新機(jī)場(chǎng)工程采用6082-T6鋁合金外，其他工程均采用6061-T6鋁合金。

國(guó)內(nèi)代表性鋁合金單層網(wǎng)殼工程 表1

圖1 鋁合金單層網(wǎng)殼工程

從上述工程可知，常用的鋁合金單層網(wǎng)殼包括較規(guī)則的球面和橢球面網(wǎng)殼以及不規(guī)則的自由曲面網(wǎng)殼。球面網(wǎng)殼主要用于我國(guó)早期的鋁合金工程及干煤棚工程，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)形式以凱威特-聯(lián)方型為主(工程1～6,11,21)。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)以及應(yīng)用需求的不斷提高，越來(lái)越多的自由曲面鋁合金網(wǎng)殼被應(yīng)用于實(shí)際工程，其造型優(yōu)美，靈活多變。自由曲面網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式以三向網(wǎng)格為主。

由于鋁合金的焊接性能較差，目前國(guó)內(nèi)建成的幾乎所有鋁合金網(wǎng)殼均使用螺栓連接節(jié)點(diǎn)，少數(shù)應(yīng)用了鉚接節(jié)點(diǎn)。常用的桿件為H形，個(gè)別大跨度工程，如南京牛首山佛頂宮局部采用了箱形截面。結(jié)構(gòu)主要桿件截面范圍為：高度250～450mm，翼緣寬度125～220mm，腹板厚度5～11mm，翼緣厚度9～14mm。工程設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的溫差范圍為±25～±40℃，由于鋁合金熱膨脹系數(shù)是鋼材的2倍，分析表明太陽(yáng)輻射作用下的非均勻溫度作用可能成為網(wǎng)殼的控制荷載工況[24,31]。

2 鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

2.1 鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析、抗震分析、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定設(shè)計(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析時(shí)，需按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[32]要求對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型按照結(jié)構(gòu)第一階屈曲模態(tài)施加幅值為跨度1/300的幾何初始缺陷，并進(jìn)行全過(guò)程分析。當(dāng)對(duì)單層球面、橢球面和柱面網(wǎng)殼進(jìn)行彈性全過(guò)程分析時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)K取4.2，彈塑性全過(guò)程分析時(shí)K取2.0。需要指出的是，2019年發(fā)布的《鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 634—2019)[33]不再沿用鋼網(wǎng)殼的穩(wěn)定系數(shù)，而是規(guī)定當(dāng)進(jìn)行彈性全過(guò)程分析時(shí)，K應(yīng)大于3.0。當(dāng)進(jìn)行彈塑性全過(guò)程分析時(shí)，K應(yīng)大于2.4。由于鋁合金彈性模量較低，進(jìn)入塑性階段后變形較大，因此實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)多使用彈塑性全過(guò)程分析。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的抗震性能研究尚未深入，鋁合金結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)仍參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[34]及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[35]的設(shè)計(jì)參數(shù)。單維地震作用下，對(duì)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的效應(yīng)計(jì)算時(shí)，可使用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，對(duì)于體型復(fù)雜或重要的結(jié)構(gòu)仍需要補(bǔ)充時(shí)程分析。根據(jù)現(xiàn)有工程抗震計(jì)算結(jié)果，較大矢跨比球面網(wǎng)殼在地震作用下的振型以平動(dòng)為主，水平地震對(duì)結(jié)構(gòu)影響更為顯著。自由曲面網(wǎng)殼因外形不規(guī)則，在罕遇地震作用下部分桿件可能出現(xiàn)塑性鉸[10]。王立維等[12]通過(guò)對(duì)板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)正常工作下節(jié)點(diǎn)板和螺栓內(nèi)力均較小，且節(jié)點(diǎn)極限彎矩大于構(gòu)件極限彎矩的1.2倍，即認(rèn)為板式節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。構(gòu)件強(qiáng)度的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是抗力分項(xiàng)系數(shù)及截面塑性發(fā)展系數(shù)。根據(jù)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50429—2007)[1]，鋁合金構(gòu)件抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.2，H形截面強(qiáng)、弱軸截面塑性發(fā)展系數(shù)分別取1.0和1.05。鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)沿用鋼網(wǎng)殼中桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，即平面內(nèi)取值為0.9，平面外取值為1.6(《鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 634—2019)[33]中桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，即平面內(nèi)取值為1.0，平面外取值為1.6)。由于鋁合金彈性模量較低，構(gòu)件的軸壓穩(wěn)定系數(shù)低于鋼構(gòu)件，且H形截面構(gòu)件受壓易發(fā)生弱軸失穩(wěn)，因此工程應(yīng)用中鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格較小，多為2～3m，極少數(shù)大型鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中網(wǎng)格長(zhǎng)度達(dá)到4m，換算后鋁合金構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比通常為50～80，較長(zhǎng)的為100左右。綜上，以往鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本沿用了鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和參數(shù)，而新發(fā)布實(shí)施的《鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 634—2019)[33]中詳細(xì)給出了鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，將對(duì)鋁合金單層網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與施工起到更好的指導(dǎo)作用。

2.2 鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工

裝配式鋼網(wǎng)殼的施工方法基本都可用于鋁合金單層網(wǎng)殼，目前已建成的鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工主要應(yīng)用高空散裝法及滑移法。傳統(tǒng)高空散裝法，包括搭設(shè)滿(mǎn)堂腳手架從結(jié)構(gòu)中央向四周安裝的外擴(kuò)施工法(工程20)；對(duì)于圓形、橢圓形等形狀相對(duì)規(guī)則的網(wǎng)殼多采用從四周到中央逐環(huán)拼裝的內(nèi)擴(kuò)施工法(工程2,3,8)；對(duì)于三角形等不規(guī)則網(wǎng)殼形狀采用首先完成中央第一跨的拼裝，然后向兩側(cè)逐跨拼裝的高空逐跨拼裝法(工程9)；滑移法則應(yīng)用于跨度較大，曲面較平整的網(wǎng)殼，例如南京牛首山佛頂宮的大穹頂采用分塊吊裝與滑移施工相結(jié)合的方法(工程16)；此外，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可選用其他施工方法，如上海南部綜合體拉斐爾云廊采用了分塊吊裝與整體提升相結(jié)合的施工方法(工程23)。

3 鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展及問(wèn)題

3.1 材料性能

不同于鋼材，鋁合金材料沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)，其本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜。RAMBERG W和OSGOOD W R于1939年提出了Ramberg-Osgood模型(簡(jiǎn)稱(chēng)R-O模型)[36]，由于其簡(jiǎn)潔的關(guān)系式與良好的吻合度而被廣泛使用至今。1971年，STEINHARDT O對(duì)R-O模型中指數(shù)n的取值給出了建議公式[37]，亦被廣泛應(yīng)用。之后又有其他學(xué)者提出了一些本構(gòu)模型，如1961年的Baehre模型，1972年的Mazzolani模型等[6]。郭小農(nóng)等[38]通過(guò)拉伸試驗(yàn)及數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)給出6061-T6鋁合金的建議抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為265MPa，名義屈服強(qiáng)度為245MPa，伸長(zhǎng)率為8%，彈性模量為68GPa(圖2)，靜力本構(gòu)模型用R-O模型擬合較好。XIANG P等[39-40]對(duì)6061-T6鋁合金試件進(jìn)行滯回試驗(yàn)，并用混合強(qiáng)化模型Chabche對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，效果較好。近年來(lái)王譽(yù)瑾、WANG Y Q等[41-42]針對(duì)6082-T6，5系及7系鋁合金材料的本構(gòu)關(guān)系及滯回性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行了擬合。

圖2 鋁合金拉伸試驗(yàn)

現(xiàn)有研究成果已經(jīng)系統(tǒng)地給出了不同類(lèi)型鋁合金的材性參數(shù)及應(yīng)力-應(yīng)變擬合關(guān)系式，然而尚未對(duì)考慮損傷累積的鋁合金本構(gòu)模型進(jìn)行研究。強(qiáng)震作用下材料的損傷累積對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，尤其對(duì)于彈性模量較低的鋁合金材料影響可能更為顯著。該部分研究可參考鋼材相關(guān)研究方法，通過(guò)在鋁合金材料滯回試驗(yàn)及研究中引入損傷因子得到考慮損傷累積的本構(gòu)模型，并對(duì)有限元軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)將模型嵌入，進(jìn)而可以更加準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng)特性。

3.2 構(gòu)件受力性能

美國(guó)學(xué)者早在20世紀(jì)30-50年代就開(kāi)始進(jìn)行大量的鋁合金構(gòu)件軸心受壓、受彎及壓彎試驗(yàn)，并給出了擬合公式。而歐洲的相關(guān)試驗(yàn)研究則始于20世紀(jì)70年代以后，其研究成果集中體現(xiàn)在各國(guó)文獻(xiàn)及規(guī)范中[6]。縱觀(guān)歐美規(guī)范，鋁合金軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式都采用了perry公式，而壓彎構(gòu)件則采用了相關(guān)公式的計(jì)算方法[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)于鋁合金構(gòu)件的系統(tǒng)研究在2000年之后，沈祖炎、羅永峰等[43-44]完成了鋁合金各類(lèi)截面桿件的穩(wěn)定性試驗(yàn)，并給出了鋁合金構(gòu)件軸壓穩(wěn)定系數(shù)的求解公式，為鋁合金規(guī)范編寫(xiě)提供了依據(jù)。張其林、郭小農(nóng)、王元清等學(xué)者[45-49]研究了鋁合金構(gòu)件壓彎、受彎和局部穩(wěn)定承載力，給出了相應(yīng)的計(jì)算公式(圖3)。ZHAO Y Z等[50-51]對(duì)30根6082-T6鋁合金方形及圓形空心截面構(gòu)件進(jìn)行了偏壓試驗(yàn)，研究了不同參數(shù)(長(zhǎng)細(xì)比、偏心距、寬厚比、徑厚比等)對(duì)構(gòu)件承載力的影響，并對(duì)比各國(guó)規(guī)范，提出直接強(qiáng)度法計(jì)算構(gòu)件承載力最為準(zhǔn)確。張錚等[52-53]對(duì)鋁合金軸壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件的滯回性能進(jìn)行了有限元模擬，提出鋁合金滯回性能與本構(gòu)模型參數(shù)有直接聯(lián)系，構(gòu)件耗能能力隨長(zhǎng)細(xì)比增加而降低。WU J Z等[54]完成了鋁合金偏壓構(gòu)件的滯回試驗(yàn)，得到了構(gòu)件的失效機(jī)理，并通過(guò)有限元參數(shù)分析提出鋁合金構(gòu)件的耗能能力及承載力隨構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和荷載偏心距的增加而顯著降低。

圖3 鋁合金偏壓構(gòu)件試驗(yàn)

針對(duì)鋁合金構(gòu)件需進(jìn)一步研究的問(wèn)題主要有如下幾點(diǎn)：1)通過(guò)對(duì)鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用構(gòu)件的截面形式、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比在結(jié)構(gòu)中真實(shí)受力情況的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，得到鋁合金構(gòu)件的破壞模式、極限承載力，并提出其強(qiáng)度、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參數(shù)；2)規(guī)范中給出的鋁合金單層網(wǎng)殼桿件計(jì)算長(zhǎng)度以剛接節(jié)點(diǎn)為前提，而現(xiàn)有研究證明鋁合金網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)為典型的半剛性連接，應(yīng)在構(gòu)件承載力試驗(yàn)中準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)連接形式，結(jié)合數(shù)值分析，對(duì)桿件計(jì)算長(zhǎng)度取值進(jìn)行深入研究以指導(dǎo)設(shè)計(jì)；3)通過(guò)鋁合金構(gòu)件軸壓、壓彎滯回試驗(yàn)，得到不同截面、不同長(zhǎng)細(xì)比的鋁合金構(gòu)件耗能能力，并通過(guò)數(shù)值分析得到初始缺陷、材料參數(shù)等因素對(duì)鋁合金構(gòu)件滯回性能的影響，并以此作為結(jié)構(gòu)抗震分析的前提。

3.3 節(jié)點(diǎn)受力性能

鋁合金單層網(wǎng)殼的常用節(jié)點(diǎn)形式有螺栓球節(jié)點(diǎn)、鑄鋁節(jié)點(diǎn)、轂式節(jié)點(diǎn)及板式節(jié)點(diǎn)(圖4)，其中板式節(jié)點(diǎn)在工程中應(yīng)用最廣泛。

圖4 鋁合金單層網(wǎng)殼各類(lèi)節(jié)點(diǎn)

鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與鋼螺栓球節(jié)點(diǎn)相近，主要應(yīng)用于鋁合金雙層網(wǎng)殼及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。孟祥武等[55]通過(guò)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件試驗(yàn)研究了鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)架的力學(xué)性能。錢(qián)基宏等[56-57]通過(guò)鋁合金螺栓螺紋抗拉承載力試驗(yàn)、鋁合金套筒抗壓承載力試驗(yàn)及鋁合金桿件與封板焊縫承載力試驗(yàn)系統(tǒng)研究了鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，指出鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與加工的難點(diǎn)在于桿件與封板處的連接。采用傳統(tǒng)的焊接方法連接，桿件熱影響區(qū)內(nèi)材料的極限抗拉強(qiáng)度降低20%～30%，對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與剛度造成較大削弱。在此基礎(chǔ)上，錢(qián)基宏等[56-57]發(fā)明了一種冷加工擠壓方式連接桿件與封板，并成功應(yīng)用于FAST工程。LIU H B等[58]對(duì)鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，得到了鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)的失效機(jī)理與抗拉承載力計(jì)算公式，并建議螺栓深入球中深度應(yīng)大于1.6倍螺栓直徑。此外，LOPEZ A等[59]對(duì)鋼芯螺栓節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，給出了計(jì)算其初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的方法。

鑄鋁節(jié)點(diǎn)是采用鑄造方式加工而成的鋁合金節(jié)點(diǎn)，通過(guò)螺栓與桿件相連接。此種節(jié)點(diǎn)是一種新型節(jié)點(diǎn)，其工程應(yīng)用很少。施剛等[60]通過(guò)三個(gè)足尺鑄鋁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鑄鋁節(jié)點(diǎn)屬于半剛接節(jié)點(diǎn)，破壞模式為螺栓孔附近截面脆性斷裂。在此基礎(chǔ)上，對(duì)鑄鋁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，提出了鑄鋁節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

轂式節(jié)點(diǎn)又稱(chēng)嵌入式轂節(jié)點(diǎn)，由柱狀轂體、桿端嵌入件、蓋板、中心螺栓等零件構(gòu)成。其在國(guó)外應(yīng)用較廣泛，如直徑110m的印尼Pupuk Kaltim圓形煤倉(cāng)、智利Coemin選礦廠(chǎng)等[61]，但缺乏詳細(xì)資料。國(guó)內(nèi)目前已知的僅有河北省唐山市的4個(gè)原煤倉(cāng)庫(kù)曾考慮使用轂式節(jié)點(diǎn)弗倫第爾空腹雙層網(wǎng)殼，嚴(yán)仁章等[62]針對(duì)弗倫第爾空腹雙層網(wǎng)殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。德克薩斯EI Paso大學(xué)[62]曾完成了轂式節(jié)點(diǎn)的彎曲試驗(yàn)，提出其在強(qiáng)軸方向能有效傳遞彎矩，可等效為剛接，但弱軸方向僅可傳遞微量彎矩，可等效為鉸接。

國(guó)內(nèi)對(duì)于板式節(jié)點(diǎn)性能研究較多，郭小農(nóng)、SHEN W等[63-65]完成了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的受壓承載力試驗(yàn)，破壞模式為下節(jié)點(diǎn)板及最外側(cè)螺栓附近翼緣斷裂，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到板式節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角(My-φ)曲線(xiàn)(圖5)。GUO X N、陳偉剛、張志杰等[66-67]對(duì)鋁合金板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了彎剪破壞試驗(yàn)，破壞模式為節(jié)點(diǎn)板的屈曲破壞，加載結(jié)束時(shí)桿件承受的最大彎矩約為其純彎狀態(tài)下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.88倍。張志杰等[68]對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)采光頂板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓彎狀態(tài)下的力學(xué)性能試驗(yàn)，得到試件破壞模式為約束端桿件的腹板和上翼緣交界處發(fā)生撕裂破壞，節(jié)點(diǎn)的軸向和豎向荷載-位移曲線(xiàn)均包含上升段、水平段和下降段3個(gè)階段。XU S[69]對(duì)板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了滯回試驗(yàn)研究，也發(fā)現(xiàn)試件破壞模式是節(jié)點(diǎn)下翼緣最外側(cè)螺栓孔處被拉壞(圖6)。GUO X N[70]對(duì)板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滯回試驗(yàn)及有限元分析，提出其破壞模式取決于節(jié)點(diǎn)板厚度與構(gòu)件翼緣厚度的比值。以上試驗(yàn)推動(dòng)了鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的發(fā)展，但其加載方式均與實(shí)際節(jié)點(diǎn)在鋁合金單層網(wǎng)殼中的受力情況不符，節(jié)點(diǎn)處破壞的試驗(yàn)現(xiàn)象亦有悖于“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則，因此對(duì)板式節(jié)點(diǎn)的研究還有待深入。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的研究更加深入。王元清、張穎等[71-72]對(duì)應(yīng)用于南京牛首山佛頂宮穹頂?shù)南湫?工字形板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了其破壞模式與受力機(jī)理。郭小農(nóng)等[73-74]深入研究了螺栓滑移及弧面節(jié)點(diǎn)板沖壓成形過(guò)程對(duì)板式節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)殼力學(xué)性能的影響，并給出了相關(guān)計(jì)算公式。

圖5 鋁合金板式節(jié)點(diǎn)受壓承載力試驗(yàn)

圖6 鋁合金板式節(jié)點(diǎn)滯回試驗(yàn)

目前對(duì)于節(jié)點(diǎn)的研究主要集中在連接H形截面構(gòu)件的板式節(jié)點(diǎn)。眾所周知，H形截面受壓穩(wěn)定性差，抗扭剛度低，易造成扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值分析研發(fā)出可連接箱形截面或圓管截面的新式節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的?，F(xiàn)有的針對(duì)板式節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)大多只在節(jié)點(diǎn)板上或桿件上施加集中荷載，節(jié)點(diǎn)以受彎為主，與實(shí)際結(jié)構(gòu)中桿件受壓為主的情況不同，其破壞形態(tài)也為節(jié)點(diǎn)板斷裂，不滿(mǎn)足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。已完成的滯回試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)在同一平面內(nèi)，與實(shí)際節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上有所差異，不能準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)及其所連接桿件在地震往復(fù)荷載作用下的破壞形式。未來(lái)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究中應(yīng)考慮到桿件軸力與節(jié)點(diǎn)彎矩共同作用，模擬在實(shí)際鋁合金單層網(wǎng)殼中節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。此外，針對(duì)鑄鋁節(jié)點(diǎn)、轂式節(jié)點(diǎn)等新型鋁合金節(jié)點(diǎn)的研究有益于豐富鋁合金網(wǎng)殼形式，應(yīng)得到更加深入的研究。

3.4 靜力穩(wěn)定性能

對(duì)于鋼網(wǎng)殼穩(wěn)定性能的研究已經(jīng)比較深入，并取得了系統(tǒng)全面的研究成果[75-80]。相比而言，鋁合金單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性能的相關(guān)研究尚不充分。20世紀(jì)90年代，日本學(xué)者HIYAMA Y等[81]通過(guò)縮尺試驗(yàn)研究了鋁合金球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼的屈曲性能。20世紀(jì)90年代，我國(guó)的劉錫良、王亞昌、曾銀枝等[82-84]通過(guò)穩(wěn)定性試驗(yàn)及有限元非線(xiàn)性分析計(jì)算了鋁合金單層網(wǎng)殼的靜力穩(wěn)定性。2010年之后，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，研究更加深入、系統(tǒng)。SHEN W、郭小農(nóng)、季躍等[85-90]通過(guò)大規(guī)模參數(shù)分析研究了不同參數(shù)(跨度、矢跨比、節(jié)點(diǎn)半剛性、初始缺陷、屋面板蒙皮效應(yīng)等)對(duì)鋁合金單層球面、柱面網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力的影響，得出了一定規(guī)律性的結(jié)論。XIONG Z等[91]對(duì)一個(gè)跨度為8m的鋁合金單層球面網(wǎng)殼模型進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到其破壞形式，并在有限元軟件中對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了模擬(圖7)。但試驗(yàn)僅在網(wǎng)殼頂點(diǎn)加載，與網(wǎng)殼實(shí)際受力情況相差較大。

圖7 鋁合金單層球面網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性試驗(yàn)

針對(duì)鋁合金單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性問(wèn)題還有以下幾點(diǎn)有待深入研究：1)在對(duì)鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征屈曲分析時(shí)，前若干階屈曲模態(tài)基本均為桿件失穩(wěn)，這是由于H形截面桿件強(qiáng)、弱軸慣性矩差異較大而造成的，規(guī)范中建議采用結(jié)構(gòu)最低階屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布的模擬方法可能不再適用，需要通過(guò)數(shù)值分析研究由H形截面桿件構(gòu)成的鋁合金單層網(wǎng)殼合理的初始缺陷施加方式；2)需要進(jìn)一步通過(guò)多尺度的有限元數(shù)值模擬及試驗(yàn)方法深入研究鋁合金單層網(wǎng)殼的破壞機(jī)理，考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響，甚至可以考慮圍護(hù)屋面的影響；3)H形截面桿件抗扭剛度較小，易發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)采取措施避免桿件過(guò)早失穩(wěn)，或研究其他截面形式的桿件。

3.5 抗震性能

謝志紅等[92]對(duì)比了鋁合金雙層網(wǎng)殼和鋼網(wǎng)殼的抗震性能，得出鋁合金網(wǎng)殼與鋼網(wǎng)殼自振特性基本相同。李媛萍[93]研究了鋁合金材料黏彈性對(duì)網(wǎng)殼動(dòng)力性能的影響，提出地震等特定荷載作用下忽略材料的黏性計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差。郭小農(nóng)等[94]對(duì)一跨度為8m的K6型鋁合金單層球面網(wǎng)殼模型的阻尼比進(jìn)行實(shí)測(cè)，建議此類(lèi)網(wǎng)殼阻尼比取3.3%。羅曉群等[95]對(duì)一平面尺寸為45m×45m，矢高為2.86m的板式節(jié)點(diǎn)單層球面網(wǎng)殼的振動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并建議阻尼比取4%。

廣州大學(xué)的李宏、朱紅普、于志偉等[96-99]采用參數(shù)分析的方法對(duì)鋁合金單層球面網(wǎng)殼及柱面網(wǎng)殼的強(qiáng)震失效機(jī)理及易損性進(jìn)行了分析研究，指出鋁合金單層網(wǎng)殼具有動(dòng)力失穩(wěn)破壞及動(dòng)力強(qiáng)度破壞兩類(lèi)失效模式，并引入模糊評(píng)判理論提出了失效模式的實(shí)用判別標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)易損性分析，擬合得到了鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的損傷模型與損傷因子。但鋁合金單層網(wǎng)殼的動(dòng)力失效機(jī)理尚缺乏振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的驗(yàn)證。

相比鋼網(wǎng)殼的抗震研究，鋁合金單層網(wǎng)殼抗震性能研究很不充分，且以有限元分析為主。我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，為了更好地推廣和應(yīng)用鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，提高其抗震性能，對(duì)鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為全面、深入的地震響應(yīng)分析和抗震性能研究非常迫切。

3.6 溫度影響及抗火性能

鋁合金材料熱敏感性強(qiáng)，高溫對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)影響較大?，F(xiàn)有對(duì)鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)性能的研究文獻(xiàn)可分為材料性能、構(gòu)件承載力與節(jié)點(diǎn)性能三方面。

3.6.1 材料性能

材料性能方面，彭航、ZHU S J等[100-101]對(duì)6061-T6，6082-T6等鋁合金材料進(jìn)行了高溫下的單調(diào)拉伸試驗(yàn)，提出溫度超過(guò)200℃時(shí)鋁合金強(qiáng)度急劇下降，并給出了鋁合金力學(xué)性能指標(biāo)高溫折減系數(shù)的計(jì)算公式。陳志華等[102]完成了186個(gè)6061-T6及7075-T73鋁合金單次和多次過(guò)火試驗(yàn)，提出了鋁合金過(guò)火后的材料本構(gòu)模型。近年來(lái)，劉紅波等[103]對(duì)16個(gè)熱處理后的6061-T6鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單調(diào)拉伸及滯回試驗(yàn)，得到了不同過(guò)火溫度、過(guò)火時(shí)間和冷卻方式等因素對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響，并擬合了火災(zāi)高溫后材料在循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系骨架曲線(xiàn)。

3.6.2 構(gòu)件承載力

構(gòu)件承載力方面，MALJAARS J等[104]完成了55個(gè)6060-T6，5083-H111鋁合金在高溫下的單調(diào)拉伸試驗(yàn)及矩形空心管和L形鋁合金桿件在高溫下的軸壓試驗(yàn)，得到其在高溫下的力學(xué)性能。同濟(jì)大學(xué)的何志力、韓川[105-106]完成了大量6061-T6鋁合金軸壓及偏壓構(gòu)件高溫試驗(yàn)，并結(jié)合大規(guī)模有限元參數(shù)分析，提出了鋁合金構(gòu)件在高溫下的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式。黃力才[107]對(duì)高溫下6061-T6鋁合金受彎構(gòu)件及壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了有限元分析，并擬合得到了承載力計(jì)算公式。ZHU S Z[108]等完成了14個(gè)H形鋁合金構(gòu)件的高溫偏壓試驗(yàn)，所有構(gòu)件的失效模式均為彎扭屈曲。經(jīng)過(guò)有限元參數(shù)分析，提出了鋁合金構(gòu)件在300℃以下的偏壓承載力計(jì)算公式。

3.6.3 節(jié)點(diǎn)性能

節(jié)點(diǎn)性能方面，GUO X N等[109]完成了9個(gè)鋁合金板式節(jié)點(diǎn)的高溫性能試驗(yàn)，結(jié)合有限元模擬提出節(jié)點(diǎn)在各溫度下的破壞模式相同，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板厚度大于等于翼緣厚度時(shí)，節(jié)點(diǎn)在300℃時(shí)仍能確保安全性(圖8)。

圖8 鋁合金節(jié)點(diǎn)高溫性能試驗(yàn)

3.6.4 網(wǎng)殼性能

網(wǎng)殼性能方面，郭小農(nóng)、朱邵駿等學(xué)者[110-112]對(duì)一直徑為8m，矢高為0.5m的K6型鋁合金單層球面網(wǎng)殼進(jìn)行了火災(zāi)下的靜力試驗(yàn)，得到了不同火源位置下結(jié)構(gòu)溫度及內(nèi)力分布情況，以及結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的破壞模式，并提出了有限元模擬方法和防火設(shè)計(jì)建議，為后續(xù)研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒意義(圖9)。

圖9 鋁合金網(wǎng)殼火災(zāi)下的靜力試驗(yàn)

鋁合金結(jié)構(gòu)對(duì)溫度敏感，溫度超過(guò)200℃時(shí)鋁合金強(qiáng)度明顯下降，這給實(shí)際工程的防火設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。目前工程中通常采用噴淋系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)。在對(duì)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件高溫性能研究的基礎(chǔ)上，鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的整體抗火性能需進(jìn)一步深入研究。

3.7 焊接性能

與鋼材焊接性能相比，鋁合金焊件的熱影響區(qū)范圍可達(dá)幾十毫米，熱影響區(qū)內(nèi)母材強(qiáng)度顯著降低。盡管如此，目前仍發(fā)展出多種鋁合金焊接工藝，如熔化極氬弧焊(MIG)、鎢極氬弧焊(TIG)、攪拌摩擦焊(FSW)、激光焊等。

MIG及TIG工藝是土木工程中常用的鋁合金焊接工藝，在編制《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50429—2007)[1]過(guò)程中，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該類(lèi)焊接節(jié)點(diǎn)及其力學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。李靜斌等[113]對(duì)6061-T6鋁合金焊接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得到鋁合金對(duì)接焊縫節(jié)點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度為母材設(shè)計(jì)值的0.59倍，名義屈服強(qiáng)度為母材的0.38倍，角焊縫與對(duì)接焊縫的極限強(qiáng)度比值關(guān)系與鋼結(jié)構(gòu)相同。吳蕓等[114-115]對(duì)10根貼角焊試件和10根坡口焊試件進(jìn)行了軸心受壓承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)標(biāo)及歐洲規(guī)范給出的承載力設(shè)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果吻合良好。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)焊接引起構(gòu)件焊縫周?chē)牟男宰兓怯绊憳?gòu)件承載力的主要因素，焊接殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件承載力影響可以忽略[116]。

FSW是20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種新型的固相塑性連接技術(shù)(圖10)。在攪拌摩擦焊接過(guò)程中金屬不熔化，處于熱塑性狀態(tài)，因而可以避免傳統(tǒng)熔化焊接工藝帶來(lái)的焊接缺陷[117]。趙勇等[118]對(duì)6061鋁合金的MIG，TIG，F(xiàn)SW三種焊接接頭性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，得到FSW焊接接頭綜合力學(xué)性能最好，其接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的81%。潘銳等[119]研究了焊接速度和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)6061-T4鋁合金焊縫性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)焊接速度為180mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 200r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的95%。然而，F(xiàn)SW工藝尚存在局限性，比如對(duì)焊件的夾持要求高，需要?jiǎng)傂怨潭ǎ徊煌缚p需要使用不同的夾具；攪拌頭磨損快，適應(yīng)性差等[117]。因此FSW目前多用于航空、航天及汽車(chē)制造等領(lǐng)域。

圖10 攪拌摩擦焊原理示意圖

縱觀(guān)鋁合金焊接工藝發(fā)展，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的焊接工藝仍然以MIG，TIG為主，因而焊接過(guò)程對(duì)母材性能的顯著削弱是阻礙焊接鋁合金結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的重要因素之一。未來(lái)對(duì)于焊接鋁合金結(jié)構(gòu)的研究，一方面應(yīng)提高傳統(tǒng)熔化焊接工藝的可靠性，另一方面繼續(xù)發(fā)展FSW工藝，探索其在建筑工程領(lǐng)域的適用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文匯總了近20年鋁合金在國(guó)內(nèi)的24例典型工程，介紹了鋁合金單層網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)、施工方法?？偨Y(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋁合金材料、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)受力性能、網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定性能、抗震性能、溫度影響、抗火性能和焊接性能的研究成果，并提出了未來(lái)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題與方向。

(1)隨著材料、設(shè)計(jì)技術(shù)及相關(guān)規(guī)范的頒布，我國(guó)鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，近年來(lái)國(guó)內(nèi)建成了多項(xiàng)百米級(jí)跨度的鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，未來(lái)將會(huì)更快地發(fā)展。

(2)目前尚有很多鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方面的研究課題值得深入研究，包括鋁合金材料、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的性能研究，鋁合金網(wǎng)殼靜力穩(wěn)定、抗震及抗火性能以及鋁合金的焊接性能等。