鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用與研究進(jìn)展*

吳金志，宋子魁，孫國軍，張毅剛，歐陽元文，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，因而其在單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多。《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50429—2007)[1]的頒布實施更促進(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)一步研究的問題。此后的6年來，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，對近20年來鋁合金單層網(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，簡要介紹了該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工方法，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、溫室及儲煤倉等腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境，也廣泛應(yīng)用于體育場館、展覽中心、交通樞紐及工業(yè)廠房等建筑。近年鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的工程應(yīng)用情況見表1和圖1，除北京新機(jī)場工程采用6082-T6鋁合金外，其他工程均采用6061-T6鋁合金。

國內(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)殼主要用于我國早期的鋁合金工程及干煤棚工程，構(gòu)造相對簡單，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)計技術(shù)以及應(yīng)用需求的不斷提高，越來越多的自由曲面鋁合金網(wǎng)殼被應(yīng)用于實際工程，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，少數(shù)應(yīng)用了鉚接節(jié)點。常用的桿件為H形，個別大跨度工程，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)計中常見的溫差范圍為±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)計與施工

2.1 鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析、抗震分析、節(jié)點設(shè)計以及構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定設(shè)計。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析時，需按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[32]要求對結(jié)構(gòu)計算模型按照結(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)行全過程分析。當(dāng)對單層球面、橢球面和柱面網(wǎng)殼進(jìn)行彈性全過程分析時，穩(wěn)定安全系數(shù)K取4.2，彈塑性全過程分析時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)行彈性全過程分析時，K應(yīng)大于3.0。當(dāng)進(jìn)行彈塑性全過程分析時，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，因此實際工程設(shè)計時多使用彈塑性全過程分析。由于國內(nèi)外對鋁合金結(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)計仍參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[34]及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[35]的設(shè)計參數(shù)。單維地震作用下，對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的效應(yīng)計算時，可使用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，對于體型復(fù)雜或重要的結(jié)構(gòu)仍需要補(bǔ)充時程分析。根據(jù)現(xiàn)有工程抗震計算結(jié)果，較大矢跨比球面網(wǎng)殼在地震作用下的振型以平動為主，水平地震對結(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]通過對板式節(jié)點進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)正常工作下節(jié)點板和螺栓內(nèi)力均較小，且節(jié)點極限彎矩大于構(gòu)件極限彎矩的1.2倍，即認(rèn)為板式節(jié)點滿足“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。構(gòu)件強(qiáng)度的主要設(shè)計參數(shù)是抗力分項系數(shù)及截面塑性發(fā)展系數(shù)。根據(jù)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50429—2007)[1]，鋁合金構(gòu)件抗力分項系數(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)中的桿件計算長度系數(shù)沿用鋼網(wǎng)殼中桿件計算長度系數(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]中桿件計算長度系數(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)格長度達(dá)到4m，換算后鋁合金構(gòu)件的長細(xì)比通常為50～80，較長的為100左右。綜上，以往鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計基本沿用了鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法和參數(shù)，而新發(fā)布實施的《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)計參數(shù)，將對鋁合金單層網(wǎng)殼的設(shè)計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)；對于圓形、橢圓形等形狀相對規(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)展及問題

3.1 材料性能

不同于鋼材，鋁合金材料沒有明顯的屈服平臺，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(簡稱R-O模型)[36]，由于其簡潔的關(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]通過拉伸試驗及數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計給出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6061-T6鋁合金試件進(jìn)行滯回試驗，并用混合強(qiáng)化模型Chabche對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，效果較好。近年來王譽瑾、WANG Y Q等[41-42]針對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)行試驗研究，并對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了擬合。

圖2 鋁合金拉伸試驗

現(xiàn)有研究成果已經(jīng)系統(tǒng)地給出了不同類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結(jié)構(gòu)影響較大，尤其對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，通過在鋁合金材料滯回試驗及研究中引入損傷因子得到考慮損傷累積的本構(gòu)模型，并對有限元軟件進(jìn)行二次開發(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

美國學(xué)者早在20世紀(jì)30-50年代就開始進(jìn)行大量的鋁合金構(gòu)件軸心受壓、受彎及壓彎試驗，并給出了擬合公式。而歐洲的相關(guān)試驗研究則始于20世紀(jì)70年代以后，其研究成果集中體現(xiàn)在各國文獻(xiàn)及規(guī)范中[6]?？v觀歐美規(guī)范，鋁合金軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)計算公式都采用了perry公式，而壓彎構(gòu)件則采用了相關(guān)公式的計算方法[6]。國內(nèi)對于鋁合金構(gòu)件的系統(tǒng)研究在2000年之后，沈祖炎、羅永峰等[43-44]完成了鋁合金各類截面桿件的穩(wěn)定性試驗，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)的計算公式(圖3)。ZHAO Y Z等[50-51]對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，研究了不同參數(shù)(長細(xì)比、偏心距、寬厚比、徑厚比等)對構(gòu)件承載力的影響，并對比各國規(guī)范，提出直接強(qiáng)度法計算構(gòu)件承載力最為準(zhǔn)確。張錚等[52-53]對鋁合金軸壓構(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，得到了構(gòu)件的失效機(jī)理，并通過有限元參數(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

針對鋁合金構(gòu)件需進(jìn)一步研究的問題主要有如下幾點：1)通過對鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常用構(gòu)件的截面形式、構(gòu)件長細(xì)比在結(jié)構(gòu)中真實受力情況的數(shù)值分析和試驗研究，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)計參數(shù)；2)規(guī)范中給出的鋁合金單層網(wǎng)殼桿件計算長度以剛接節(jié)點為前提，而現(xiàn)有研究證明鋁合金網(wǎng)殼節(jié)點為典型的半剛性連接，應(yīng)在構(gòu)件承載力試驗中準(zhǔn)確模擬節(jié)點連接形式，結(jié)合數(shù)值分析，對桿件計算長度取值進(jìn)行深入研究以指導(dǎo)設(shè)計；3)通過鋁合金構(gòu)件軸壓、壓彎滯回試驗，得到不同截面、不同長細(xì)比的鋁合金構(gòu)件耗能能力，并通過數(shù)值分析得到初始缺陷、材料參數(shù)等因素對鋁合金構(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)點受力性能

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

圖4 鋁合金單層網(wǎng)殼各類節(jié)點

鋁合金螺栓球節(jié)點構(gòu)造與鋼螺栓球節(jié)點相近，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]通過節(jié)點和構(gòu)件試驗研究了鋁合金螺栓球節(jié)點及網(wǎng)架的力學(xué)性能。錢基宏等[56-57]通過鋁合金螺栓螺紋抗拉承載力試驗、鋁合金套筒抗壓承載力試驗及鋁合金桿件與封板焊縫承載力試驗系統(tǒng)研究了鋁合金螺栓球節(jié)點的力學(xué)性能，指出鋁合金螺栓球節(jié)點設(shè)計與加工的難點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%，對節(jié)點強(qiáng)度與剛度造成較大削弱。在此基礎(chǔ)上，錢基宏等[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]對鋁合金螺栓球節(jié)點進(jìn)行了一系列試驗研究，得到了鋁合金螺栓球節(jié)點的失效機(jī)理與抗拉承載力計算公式，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]對鋼芯螺栓節(jié)點的抗彎剛度進(jìn)行了試驗研究，給出了計算其初始轉(zhuǎn)動剛度的方法。

鑄鋁節(jié)點是采用鑄造方式加工而成的鋁合金節(jié)點，通過螺栓與桿件相連接。此種節(jié)點是一種新型節(jié)點，其工程應(yīng)用很少。施剛等[60]通過三個足尺鑄鋁節(jié)點試驗，發(fā)現(xiàn)鑄鋁節(jié)點屬于半剛接節(jié)點，破壞模式為螺栓孔附近截面脆性斷裂。在此基礎(chǔ)上，對鑄鋁節(jié)點進(jìn)行了有限元分析，提出了鑄鋁節(jié)點承載力設(shè)計簡化計算公式。

轂式節(jié)點又稱嵌入式轂節(jié)點，由柱狀轂體、桿端嵌入件、蓋板、中心螺栓等零件構(gòu)成。其在國外應(yīng)用較廣泛，如直徑110m的印尼Pupuk Kaltim圓形煤倉、智利Coemin選礦廠等[61]，但缺乏詳細(xì)資料。國內(nèi)目前已知的僅有河北省唐山市的4個原煤倉庫曾考慮使用轂式節(jié)點弗倫第爾空腹雙層網(wǎng)殼，嚴(yán)仁章等[62]針對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)點的彎曲試驗，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。

國內(nèi)對于板式節(jié)點性能研究較多，郭小農(nóng)、SHEN W等[63-65]完成了鋁合金板式節(jié)點的受壓承載力試驗，破壞模式為下節(jié)點板及最外側(cè)螺栓附近翼緣斷裂，并根據(jù)試驗結(jié)果得到板式節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角(My-φ)曲線(圖5)。GUO X N、陳偉剛、張志杰等[66-67]對鋁合金板式節(jié)點進(jìn)行了彎剪破壞試驗，破壞模式為節(jié)點板的屈曲破壞，加載結(jié)束時桿件承受的最大彎矩約為其純彎狀態(tài)下強(qiáng)度設(shè)計值的0.88倍。張志杰等[68]對北京大興國際機(jī)場采光頂板式節(jié)點進(jìn)行壓彎狀態(tài)下的力學(xué)性能試驗，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)點的軸向和豎向荷載-位移曲線均包含上升段、水平段和下降段3個階段。XU S[69]對板式節(jié)點進(jìn)行了滯回試驗研究，也發(fā)現(xiàn)試件破壞模式是節(jié)點下翼緣最外側(cè)螺栓孔處被拉壞(圖6)。GUO X N[70]對板式節(jié)點進(jìn)行滯回試驗及有限元分析，提出其破壞模式取決于節(jié)點板厚度與構(gòu)件翼緣厚度的比值。以上試驗推動了鋁合金板式節(jié)點的發(fā)展，但其加載方式均與實際節(jié)點在鋁合金單層網(wǎng)殼中的受力情況不符，節(jié)點處破壞的試驗現(xiàn)象亦有悖于“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，因此對板式節(jié)點的研究還有待深入。近年來，國內(nèi)學(xué)者對于鋁合金板式節(jié)點的研究更加深入。王元清、張穎等[71-72]對應(yīng)用于南京牛首山佛頂宮穹頂?shù)南湫?工字形板式節(jié)點進(jìn)行了試驗研究，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)點板沖壓成形過程對板式節(jié)點及網(wǎng)殼力學(xué)性能的影響，并給出了相關(guān)計算公式。

圖5 鋁合金板式節(jié)點受壓承載力試驗

圖6 鋁合金板式節(jié)點滯回試驗

目前對于節(jié)點的研究主要集中在連接H形截面構(gòu)件的板式節(jié)點。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，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的?，F(xiàn)有的針對板式節(jié)點的試驗大多只在節(jié)點板上或桿件上施加集中荷載，節(jié)點以受彎為主，與實際結(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)點板斷裂，不滿足“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。已完成的滯回試驗的節(jié)點在同一平面內(nèi)，與實際節(jié)點構(gòu)造上有所差異，不能準(zhǔn)確反映節(jié)點及其所連接桿件在地震往復(fù)荷載作用下的破壞形式。未來節(jié)點試驗研究中應(yīng)考慮到桿件軸力與節(jié)點彎矩共同作用，模擬在實際鋁合金單層網(wǎng)殼中節(jié)點受力狀態(tài)下節(jié)點的力學(xué)性能。此外，針對鑄鋁節(jié)點、轂式節(jié)點等新型鋁合金節(jié)點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]通過縮尺試驗研究了鋁合金球節(jié)點網(wǎng)殼的屈曲性能。20世紀(jì)90年代，我國的劉錫良、王亞昌、曾銀枝等[82-84]通過穩(wěn)定性試驗及有限元非線性分析計算了鋁合金單層網(wǎng)殼的靜力穩(wěn)定性。2010年之后，隨著計算機(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)點半剛性、初始缺陷、屋面板蒙皮效應(yīng)等)對鋁合金單層球面、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]對一個跨度為8m的鋁合金單層球面網(wǎng)殼模型進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗，得到其破壞形式，并在有限元軟件中對試驗進(jìn)行了模擬(圖7)。但試驗僅在網(wǎng)殼頂點加載，與網(wǎng)殼實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

針對鋁合金單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性問題還有以下幾點有待深入研究：1)在對鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征屈曲分析時，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)一步通過多尺度的有限元數(shù)值模擬及試驗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網(wǎng)殼動力性能的影響，提出地震等特定荷載作用下忽略材料的黏性計算會產(chǎn)生較大誤差。郭小農(nóng)等[94]對一跨度為8m的K6型鋁合金單層球面網(wǎng)殼模型的阻尼比進(jìn)行實測，建議此類網(wǎng)殼阻尼比取3.3%。羅曉群等[95]對一平面尺寸為45m×45m，矢高為2.86m的板式節(jié)點單層球面網(wǎng)殼的振動特性進(jìn)行了實測，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)殼具有動力失穩(wěn)破壞及動力強(qiáng)度破壞兩類失效模式，并引入模糊評判理論提出了失效模式的實用判別標(biāo)準(zhǔn)。通過易損性分析，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)殼的動力失效機(jī)理尚缺乏振動臺試驗的驗證。

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。我國是地震多發(fā)國家，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)，高溫對鋁合金結(jié)構(gòu)影響較大?，F(xiàn)有對鋁合金網(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，提出溫度超過200℃時鋁合金強(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)的計算公式。陳志華等[102]完成了186個6061-T6及7075-T73鋁合金單次和多次過火試驗，提出了鋁合金過火后的材料本構(gòu)模型。近年來，劉紅波等[103]對16個熱處理后的6061-T6鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行單調(diào)拉伸及滯回試驗，得到了不同過火溫度、過火時間和冷卻方式等因素對鋁合金力學(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。

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6060-T6，5083-H111鋁合金在高溫下的單調(diào)拉伸試驗及矩形空心管和L形鋁合金桿件在高溫下的軸壓試驗，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，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)定承載力計算公式。黃力才[107]對高溫下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算公式。ZHU S Z[108]等完成了14個H形鋁合金構(gòu)件的高溫偏壓試驗，所有構(gòu)件的失效模式均為彎扭屈曲。經(jīng)過有限元參數(shù)分析，提出了鋁合金構(gòu)件在300℃以下的偏壓承載力計算公式。

3.6.3 節(jié)點性能

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

圖8 鋁合金節(jié)點高溫性能試驗

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，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)計建議，為后續(xù)研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了借鑒意義(圖9)。

圖9 鋁合金網(wǎng)殼火災(zāi)下的靜力試驗

鋁合金結(jié)構(gòu)對溫度敏感，溫度超過200℃時鋁合金強(qiáng)度明顯下降，這給實際工程的防火設(shè)計帶來很大困難。目前工程中通常采用噴淋系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)。在對節(jié)點和構(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)計規(guī)范》(GB 50429—2007)[1]過程中，國內(nèi)學(xué)者對該類焊接節(jié)點及其力學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。李靜斌等[113]對6061-T6鋁合金焊接節(jié)點的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，得到鋁合金對接焊縫節(jié)點的抗拉強(qiáng)度為母材設(shè)計值的0.59倍，名義屈服強(qiáng)度為母材的0.38倍，角焊縫與對接焊縫的極限強(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，試驗結(jié)果與國標(biāo)及歐洲規(guī)范給出的承載力設(shè)計公式計算結(jié)果吻合良好。在此基礎(chǔ)上，通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)焊接引起構(gòu)件焊縫周圍的材性變化是影響構(gòu)件承載力的主要因素，焊接殘余應(yīng)力對構(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)熔化焊接工藝帶來的焊接缺陷[117]。趙勇等[118]對6061鋁合金的MIG，TIG，F(xiàn)SW三種焊接接頭性能進(jìn)行了對比試驗研究，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6061-T4鋁合金焊縫性能的影響。試驗結(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，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，比如對焊件的夾持要求高，需要剛性固定；不同焊縫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、航天及汽車制造等領(lǐng)域。

圖10 攪拌摩擦焊原理示意圖

縱觀鋁合金焊接工藝發(fā)展，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的焊接工藝仍然以MIG，TIG為主，因而焊接過程對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。未來對于焊接鋁合金結(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

本文匯總了近20年鋁合金在國內(nèi)的24例典型工程，介紹了鋁合金單層網(wǎng)殼的設(shè)計、施工方法?？偨Y(jié)了國內(nèi)外對于鋁合金材料、構(gòu)件、節(jié)點受力性能、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，并提出了未來需要進(jìn)一步研究的問題與方向。

(1)隨著材料、設(shè)計技術(shù)及相關(guān)規(guī)范的頒布，我國鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，近年來國內(nèi)建成了多項百米級跨度的鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，未來將會更快地發(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。