鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

馬曉鋒 許楊健

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

0 引言

與鋼材相比，鋁合金具有質(zhì)輕，耐腐蝕，無磁，易回收等優(yōu)勢。2016年，鋁的年產(chǎn)量約為1 500萬t，僅次于鋼鐵，是工業(yè)最常用的金屬之一[1]。鋁合金的強(qiáng)度與Q235鋼材接近，而密度卻僅為鋼材的1/3，深受結(jié)構(gòu)工程師的喜愛[2]。將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的幾何優(yōu)勢與鋁合金的材料性能優(yōu)勢結(jié)合，具有極大的理論研究價(jià)值和社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

簡要介紹了國內(nèi)外鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的典型工程實(shí)例，從構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)兩個層次展開，介紹了鋁合金桿件軸壓穩(wěn)定性以及鋁合金網(wǎng)殼整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究現(xiàn)狀。

1 典型工程實(shí)例

鋁合金特有的材料屬性在與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)幾何形式相結(jié)合的過程中逐漸嶄露頭角，受到越來越多的關(guān)注[1]。目前全球已有超過7 000座鋁合金空間結(jié)構(gòu)，國外幾個典型實(shí)例見圖1～圖4，如1951年，英國建造了跨度達(dá)111.3 m的“探索”穹頂(Festival South Bank Exhibition)[3](見圖1)；跨度144 m的意大利Civitavecchia的某發(fā)電廠[4](見圖4)，是目前世界上跨度最大的鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。我國對鋁合金的研究與應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展很快，建成了一批具有代表性的鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，見圖5，圖6。

2 軸心受壓構(gòu)件

空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件在實(shí)際服役過程中受力方式以軸心受壓為主，軸心受壓構(gòu)件也是我國研究得最為深入的內(nèi)容之一[5]。

1999年，同濟(jì)大學(xué)李明、錢若軍等[7]通過對幾種不同長細(xì)比鋁合金圓管形軸心壓桿的穩(wěn)定試驗(yàn)，計(jì)算得出了鋁合金軸心壓桿的穩(wěn)定系數(shù)，并與幾種公式的計(jì)算結(jié)果對比，得出了鋁合金軸心壓桿設(shè)計(jì)的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式。2001年，西安交通大學(xué)碩士研究生林緘光[8]通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得出了鋁合金軸心壓桿的穩(wěn)定系數(shù)的近似表達(dá)式。2014年，清華大學(xué)研究生常婷[9]在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ANSYS對包括多個箱形截面及工形截面的鋁合金軸壓構(gòu)件的穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究，探討了局部幾何初始缺陷、整體幾何初始缺陷、屈服強(qiáng)度、Ramberg-Osgood模型中應(yīng)變硬化指數(shù)n的影響。但對于鋁合金桿件軸心受壓穩(wěn)定性能的研究，國內(nèi)外目前主要集中在雙軸對稱的單一截面上，對組合截面鋁合金桿件的研究鮮有提及。

3 鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

3.1 單層網(wǎng)殼

目前針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究主要關(guān)注于鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外對于鋁合金空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的研究尚不成熟。

1992年，天津大學(xué)劉錫良，鄭巖等[10]編制有限元程序?qū)σ讳X合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平衡路徑進(jìn)行跟蹤，并對該模型進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，實(shí)測承載力為理論計(jì)算值的81.6%，兩者吻合較好。基于以上模擬和試驗(yàn)，探討了幾何非線性對鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的影響。1996年，Sugizaki等[11]在通過對4個直徑為4.2 m的鋁合金單層球面網(wǎng)殼的縮尺試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅在頂點(diǎn)施加集中荷載的網(wǎng)殼承載力高于均布荷載作用下的網(wǎng)殼。

2000年，同濟(jì)大學(xué)曾銀枝、錢若軍等[12]與美國TEMCOR公司對一跨度9.608 m，矢高1.268 m的鋁合金單層球面網(wǎng)殼的模型靜力加載試驗(yàn)，通過對比，驗(yàn)證了有限元理論在鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算的可行性。不足之處是該試驗(yàn)3種荷載均加載于同一模型，使得試驗(yàn)值與理論值差異逐次增大。

此外，王亞昌[13]，鄭科等[14]通過模型加載試驗(yàn)或非線性有限元法對鋁合金單層網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)了模型的破壞模態(tài)，并分析了桿件剛度，矢跨比，初始缺陷，荷載分布方式以及節(jié)點(diǎn)剛度對鋁合金單層網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力的影響。

2017年，天津大學(xué)劉紅波，丁藝喆等[15]使用有限元軟件ABAQUS針對鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能進(jìn)行了大規(guī)模參數(shù)化分析，比較完整的總結(jié)了各因素對其穩(wěn)定承載力的影響，推導(dǎo)了鋁合金單層網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力計(jì)算的實(shí)用公式。劉紅波，陳志華[17，18]等結(jié)合工程實(shí)例，對鋁合金單層網(wǎng)殼受溫度作用以及火災(zāi)發(fā)生時(shí)的力學(xué)行為進(jìn)行了探討，也是目前需要深入研究的方向之一。

總體而言，國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金單層球面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)，桿件的應(yīng)力往往還處于較低水平，不利于材料強(qiáng)度的充分發(fā)揮，一定程度上影響了鋁合金空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

3.2 雙層網(wǎng)殼

針對鋁合金雙層網(wǎng)殼，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究探討。2000年，同濟(jì)大學(xué)羅永峰，鄧長根等[19]對500 m口徑球面望遠(yuǎn)鏡反射面鋁合金雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(即FAST工程)進(jìn)行了承載能力及正常工作狀態(tài)的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，通過與鋼網(wǎng)殼進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比，發(fā)現(xiàn)選用鋁合金結(jié)構(gòu)體系更為合適。

鄭科[14]、羅永峰[19]等通過對鋁合金雙層網(wǎng)殼1/3縮尺模型進(jìn)行的靜力加載試驗(yàn)研究，得出了該雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)正常工作狀態(tài)下位移較小，在極限狀態(tài)下桿件應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度。李麗娟，謝志紅等[21，22]分析了鋁合金雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)隨參數(shù)變化的自振特性，并采用Newmark積分法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震時(shí)程響應(yīng)分析,通過對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)矢跨比增大至1/4時(shí)，結(jié)構(gòu)的承載力較強(qiáng)；動應(yīng)力隨著網(wǎng)格劃分密度的增大而減?。粭U件尺寸對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響相對較小。

2013年，天津大學(xué)陳志華，嚴(yán)仁章等[23]利用Midas軟件對一擬建跨度為125 m的弗倫第爾式鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理想模型和帶初始缺陷模型的特征值屈曲分析后，利用ANSYS軟件進(jìn)行了考慮雙重非線性的全過程跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對初始缺陷較為敏感，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地對空腹鋁網(wǎng)殼的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析。

總體看來，在以上針對鋁合金雙層網(wǎng)殼的研究分析中，均未考慮節(jié)點(diǎn)半剛性和桿件初始缺陷的影響。

4 結(jié)論和展望

國外對鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究比較成熟，其在我國的研究和應(yīng)用雖然起步較晚，但通過學(xué)者和工程師的努力，獲得了快速的發(fā)展。但目前的研究仍然存在一些不足，在之后的研究中各單位應(yīng)多進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)。在研究內(nèi)容上應(yīng)注意研究蒙皮效應(yīng)、節(jié)點(diǎn)剛度和桿件初始缺陷等對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并積極進(jìn)行新型節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)和研究，同時(shí)對其抗震和抗火性能也有必要進(jìn)行更加深入的研究。在研究方法上應(yīng)盡可能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而推動鋁合金空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。