王元清，張?穎，張俊光，歐陽元文

鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體變形性能試驗研究

王元清1，張?穎1，張俊光1，歐陽元文2

(1. 清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084；2. 上海建科鋁合金結構建筑研究院，上海 200949)

鋁合金網(wǎng)殼結構在大跨空間結構中具有廣泛的應用前景．南京牛首山佛頂宮大穹頂工程中采用了鋁合金網(wǎng)殼結構，其節(jié)點包含兩種截面桿件，均使用不銹鋼環(huán)槽鉚釘與節(jié)點盤進行緊固連接，形成了特殊形式的箱形-工字形盤式節(jié)點．為研究鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點在面外彎矩作用下的傳力機理、變形性能、節(jié)點剛度、破壞模式和極限承載力，開展了箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件的靜力加載試驗，使用有限元軟件ABAQUS對試驗加載全過程進行了數(shù)值模擬，并將試驗結果與相同截面鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點相連對肢節(jié)點的試驗結果進行對比分析．試驗結果表明：南京牛首山佛頂宮大穹頂工程中采用的鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點為半剛性節(jié)點，節(jié)點剛度較大，整體延性相對較小；在較大面外彎矩作用下構件的上節(jié)點盤發(fā)生屈曲變形，試件加載破壞時下節(jié)點盤仍處于彈性階段，桿件連接部位腹板出現(xiàn)明顯屈曲變形，桿件與上節(jié)點盤連接處發(fā)生斷裂破壞．足尺有限元模型的數(shù)值模擬結果與試驗結果吻合較好，具有工程應用可靠性．與相同截面的鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點相連對肢節(jié)點試驗結果相比，鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點6根連接桿件之間的相互作用提高了節(jié)點剛度，但在一定程度上降低了節(jié)點的延性和抗彎承載力，在設計和使用過程中需進一步加強和改進．

鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點；變形性能；破壞模式；有限元分析

鋁合金網(wǎng)殼結構盤式節(jié)點具有工廠標準化生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配式安裝、施工速度快[1-3]、占用空間小[4]、受力性能良好和外形美觀等優(yōu)點，近年來在單層網(wǎng)殼結構中廣泛應用[5-6]．我國的上?？萍汲?、武漢體育學院綜合體育館等穹頂結構均采用了鋁合金盤式節(jié)點[1]．

南京牛首山文化旅游區(qū)的鋁合金大穹頂結構是佛頂宮整體建筑形象的重要組成部分，其南北向長度約200m，東西向長度約130m，覆蓋面積約20000m2，最高處距禪境廣場地面56.3m[7-8]．

南京牛首山佛頂宮鋁合金大穹頂網(wǎng)殼結構采用箱形-工字形盤式節(jié)點．區(qū)別于普通鋁合金盤式節(jié)點[4]，佛頂宮鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點連接的六肢桿件包含4根工字形桿件和2根對肢箱形桿件，節(jié)點構件呈對稱分布，整體構件輕微起拱．箱形桿件和工字形桿件均通過不銹鋼環(huán)槽鉚釘與上、下節(jié)點盤進行緊固連接．環(huán)槽鉚釘緊固連接是一種新型的連接方式，具有拼裝速度快和不易松動的優(yōu)點，在空間結構中有廣泛的應用前景．

王元清等[9]曾對上述箱形-工字形盤式節(jié)點相連對肢試件進行靜力試驗研究；但是，由于其結構形式的特殊性，該節(jié)點在6根相連桿件共同受力時的整體受力狀態(tài)和變形性能尚不明確．為此，本文對南京牛首山佛頂宮工程鋁合金網(wǎng)殼箱形-工字形盤式節(jié)點足尺整體試件進行了靜力加載試驗，分析該節(jié)點在面外彎矩荷載作用下的傳力機理、整體剛度、變形性能、極限荷載及破壞模式．同時，結合本文試驗對鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點進行彈塑性有限元分析，并?與試驗結果進行對比，為工程設計和應用提供可靠?依據(jù)．

1?試驗設計

1.1?試件設計

鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件根據(jù)南京市牛首山佛頂宮大穹頂工程建筑結構足尺加工而成，包括節(jié)點盤、相連桿件和不銹鋼環(huán)槽鉚釘3部分．節(jié)點盤、箱形截面桿件和工字形截面桿件材料均為擠壓型鋁合金6061-T6，該種材料屬于Al-Mg-Si系鋁合金，強度較高且抗腐蝕性好．

節(jié)點相連6根桿件相互之間夾角為60°，標號如圖1所示，其中桿件1、4為箱形桿件，桿件2、3、5、6為工字形桿件．各桿件截面高度相同，長度均為2000mm，截面尺寸參數(shù)見表1及圖2．表1中為桿件截面高度；為截面寬度；w為腹板厚度；f為翼緣厚度．節(jié)點盤為半徑360mm的圓形鋁合金起拱板，成型角度178°，厚度16mm．節(jié)點盤開孔位置及細部構造如圖3(a)所示，兩種截面桿件與節(jié)點盤連接端的開孔位置和細部構造分別如圖3(b)和圖3(c)?所示．

圖1?箱形-工字形盤式節(jié)點裝配示意

表1?節(jié)點桿件截面尺寸

Tab.1?Sectional dimension of joint members mm

圖2?節(jié)點桿件截面尺寸(單位：mm)

Fig.2?Sectional dimension of joint members(unit：mm)

該鋁合金網(wǎng)殼結構箱形-工字形盤式節(jié)點的兩種截面桿件與節(jié)點盤均通過不銹鋼環(huán)槽鉚釘進行連接，上、下節(jié)點盤各布置160顆環(huán)槽鉚釘，環(huán)槽鉚釘?shù)木唧w分布如圖3所示．

圖3?節(jié)點盤和桿端細部構造(單位：mm)

1.2?試驗裝置及加載方法

試驗使用3000kN液壓千斤頂對鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點試件的節(jié)點中心施加豎向荷載，門式反力架和桿端支座提供支撐，加載裝置如圖4所示．節(jié)點相連的6根桿件遠端均為簡支，箱形桿件支座距離千斤頂加載點1870mm，工字形桿件支座距離千斤頂加載點1900mm．加載原理示意如圖5所示．為避免荷載直接作用于環(huán)槽鉚釘，試驗過程中在節(jié)點盤上方中心加載位置放置一塊尺寸合適的加載板，使節(jié)點盤中心均勻受力．

試驗采用靜力加載方法，通過液壓千斤頂及配套設備施加豎向單調荷載，以研究鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點的面外抗彎性能和受力狀態(tài)．

圖4?試驗裝置

圖5?加載原理示意

1.3?量測方法

試驗使用位移傳感器測量節(jié)點區(qū)和桿件的變形，使用應變片測量試件關鍵區(qū)域的應力應變特征，同時位于千斤頂與節(jié)點盤加載板之間的力傳感器可測量施加荷載的大?。?/p>

試件共布置了23個位移傳感器(簡稱位移計)：位移計D1位于節(jié)點盤下表面中心，用來測量節(jié)點盤的豎向位移；位移計D2～D5用于測量節(jié)點盤邊緣的豎向位移，進而計算節(jié)點盤的轉角；位移計D6～D11位于盤式節(jié)點各桿件與節(jié)點盤相鄰位置下翼緣處；位移計D12～D23用于測量桿件末端截面轉角．每根桿件的翼緣和腹板以及上下節(jié)點盤表面布置應變片，試件共布置92個應變測點．應變片和位移計的測點布置如圖6所示．

2?試驗結果及分析

2.1?試件破壞形態(tài)

試驗中對試件上節(jié)點盤中心處施加豎向靜力荷載，試件整體承受面外彎矩作用．當荷載達到u/5時(u為極限荷載)，各桿件和節(jié)點盤均未出現(xiàn)明顯變形，節(jié)點連接處各板件處于彈性應力階段．當荷載達到極限荷載3u/5時，各桿件與節(jié)點盤連接端部腹板均出現(xiàn)明顯變形，上節(jié)點盤邊緣出現(xiàn)輕微翹曲．當荷載增加到u時，各桿件與上節(jié)點盤相連端部腹板均出現(xiàn)屈曲，寬厚比較大的箱形桿件腹板的變形尤其顯著，如圖7(a)所示．隨后，箱形桿件腹板發(fā)生斷裂，工字形桿件的上翼緣與腹板交界處斷裂，如圖7(b)所示；上節(jié)點盤發(fā)生局部屈曲，與工字形桿件連接部位發(fā)生斷裂，如圖7(c)和圖7(d)所示．整個試驗過程中下節(jié)點盤未發(fā)生明顯變形和斷裂破壞．

圖7?試件破壞形態(tài)

2.2?節(jié)點盤應力分布

通過整理節(jié)點盤的應變采集數(shù)據(jù)，得到節(jié)點盤不同角度方向的應力分布，如圖8所示．圖中不同曲線分別表示節(jié)點試件在u/5、2u/5、3u/5、4u/5、u荷載作用下，節(jié)點盤的徑向應力分布，為應變測點到節(jié)點盤中心連線與箱形桿件軸線(如圖6(a)所示)形成的夾角(順時針夾角)．由于節(jié)點試件的對稱性和數(shù)據(jù)的重復性，圖中只表示在0°～180° 范圍內(nèi)節(jié)點盤的應力分布結果．

對于上節(jié)點盤，應力分布如圖8(a)所示，當試驗荷載達到u/5時，不同測點應力差值較小，節(jié)點盤的應力分布較均勻．節(jié)點盤上＝0°和＝180°兩測點位于箱形桿件連接處，上節(jié)點盤環(huán)槽鉚釘外側承受拉應力．原因為節(jié)點在中心豎向荷載作用下，中心位置彎矩為負，上節(jié)點盤(節(jié)點上弦)整體受壓，對于圓形節(jié)點盤，環(huán)槽鉚釘群內(nèi)部區(qū)域受壓，由于圓盤整體的幾何約束作用，試驗中環(huán)槽鉚釘外部區(qū)域應力測點處受拉．節(jié)點盤＝60°和＝120°兩測點位于工字形桿件連接處，環(huán)槽鉚釘群距離節(jié)點盤中心較遠，測點位于環(huán)槽鉚釘群中，當施加荷載較小時，節(jié)點變形較小，荷載主要通過外側環(huán)槽鉚釘傳遞，上節(jié)點盤測點處受壓．隨著施加荷載的增大，外側環(huán)槽鉚釘孔壁屈服，內(nèi)側環(huán)槽鉚釘群的傳力增大，在節(jié)點盤整體幾何約束作用下，測點拉應力逐漸增大．達到極限荷載u時，節(jié)點盤應變測點處(環(huán)槽鉚釘群中部)表現(xiàn)為拉應力．因為箱形桿件承受彎矩較大且環(huán)槽鉚釘群更靠近節(jié)點盤中心，節(jié)點盤測點徑向應力分布較大的位置出現(xiàn)在＝0°和＝180°處．

圖8?節(jié)點盤應力分布

對于下節(jié)點盤，如圖8(b)所示，當試驗荷載達到u/5時，彎矩作用下的下節(jié)點盤(節(jié)點下弦)整體受拉．下節(jié)點盤＝0°和＝180°箱形桿件連接處，環(huán)槽鉚釘群對節(jié)點盤中心提供拉力，在圓盤整體幾何約束作用下，下節(jié)點盤環(huán)槽鉚釘群外側受壓．與上節(jié)點盤相對應，承載較小的工字形桿件連接處環(huán)槽鉚釘群區(qū)域(＝60°和＝120°時)中心受到很小的拉力；隨著荷載的增大，工字形桿件連接處外側環(huán)槽鉚釘孔壁屈服，內(nèi)側環(huán)槽鉚釘傳力增大，節(jié)點盤測點處的徑向應力表現(xiàn)為壓應力．下節(jié)點盤徑向應力分布較大的位置同樣出現(xiàn)在＝0°和＝180°箱形桿件連接處．

2.3?荷載-位移關系

通過采集壓力傳感器以及位移傳感器數(shù)據(jù)，可計算得出試驗全過程的荷載-中心豎向位移曲線(1)，如圖9所示．隨著荷載的逐級增加，荷載-位移曲線基本呈線性關系．試驗荷載達到約u/5時，曲線出現(xiàn)一平緩段，原因是不銹鋼環(huán)槽鉚釘連接的上下節(jié)點盤與各桿件的接觸面發(fā)生滑移，當不銹鋼環(huán)槽鉚釘桿與上下節(jié)點盤以及各桿件的孔壁接觸之后，節(jié)點的承載力繼續(xù)增加，荷載-位移曲線繼續(xù)保持線性關系．試件的極限承載力u為1649.14kN，極限荷載u對應的位移為25.50mm．

圖9?荷載-位移(P-Δ1)曲線

3?有限元數(shù)值模擬

采用大型通用有限元軟件ABAQUS對盤式節(jié)點試件進行有限元模擬，建模過程詳見文獻[10]．圖10為節(jié)點試件的模型裝配圖．

將有限元計算得出的荷載-中心豎向位移曲線與試驗曲線進行對比，如圖11所示．有限元模擬計算結果與試驗結果吻合良好，該有限元模型可用于鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件剛度與變形性能的研究．

圖10?試件有限元模型

圖11?有限元計算得出的荷載-位移曲線與試驗結果對比

4?節(jié)點性能分析

4.1?節(jié)點轉動剛度

從桿件剛度來看，箱形桿件1、4較工字形桿件2、3、5、6剛度大，并且連接桿件的環(huán)槽鉚釘數(shù)目和排列方式不同，故對節(jié)點盤施加集中荷載時，兩種截面桿件連接剛度的不同導致其支座反力和節(jié)點處彎矩的不同．試驗中未測量各桿件的支座反力，借助前文中經(jīng)過驗證的有限元模型，根據(jù)不同桿件桿端支座反力的比值，可計算出各個桿件的荷載大小和相應的彎矩數(shù)值，再分別繪制兩種截面桿件連接節(jié)點的彎矩-轉角()曲線，如圖12所示．

根據(jù)圖12節(jié)點彎矩-轉角曲線分別得到兩種桿件(2/3)j,Rd對應的節(jié)點轉角0，并計算該點處的初始轉動剛度j,ini(j,ini＝(2/3)j,Rd/0)，節(jié)點試件的對肢箱形桿件1、4和對肢工字形桿件2、5的初始轉動剛度如表2所示．根據(jù)歐洲規(guī)范Eurocode 3[11]中節(jié)點轉動剛度的判斷方法，箱形桿件連接節(jié)點的初始轉動剛度以及工字形桿件連接節(jié)點的初始轉動剛度均位于(0.55.0)/范圍內(nèi)，該箱形-工字形盤式節(jié)點為半剛性節(jié)點．

圖12?節(jié)點彎矩-轉角(Μ-f)曲線

表2?節(jié)點試件受彎承載力、節(jié)點轉角及初始轉動剛度

Tab.2?Moment resistance，rotation，and initial rotational stiffnessof the specimen

4.2?節(jié)點試驗對比分析

王元清等[9]已通過試驗研究了該箱形-工字形盤式節(jié)點相連對肢節(jié)點試件的力學性能，包含相連對肢箱形桿件節(jié)點試件(JD1)和相連對肢工字形桿件節(jié)點試件(JD2)，其節(jié)點盤和相連桿件的尺寸、材料及裝配方式與本文試件(PS1)均相同．將本文試驗結果與JD1及JD2的試驗結果進行對比，以分析6根相連桿件共同受力時的整體受力狀態(tài)和變形性能特點．

4.2.1?破壞形態(tài)

本文試件PS1破壞形態(tài)如圖7所示，試件上節(jié)點盤和桿件腹板均出現(xiàn)屈曲變形，下節(jié)點盤無明顯變形，試件達到極限荷載時發(fā)生板件屈曲破壞．

文獻[9]中試件JD1及JD2的破壞形態(tài)如圖13所示，試件JD1連接處箱形桿件下翼緣沿最外圍螺栓孔斷裂，試件JD2連接處下節(jié)點盤沿最外圍螺栓孔斷裂．

破壞形態(tài)對比表明，文獻[9]中試件JD1及JD2均沿螺栓孔發(fā)生板件斷裂破壞，節(jié)點變形很小，破壞突然；本文試件PS1破壞前出現(xiàn)明顯的板件變形，上節(jié)點盤及各桿件腹板屈曲變形尤為顯著．對于本文箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件，中心節(jié)點盤連接6根桿件，在荷載作用下變形相互制約，導致上節(jié)點盤面內(nèi)3個方向受壓，造成板件屈曲．隨著節(jié)點盤變形的產(chǎn)生，各肢桿件在連接處亦發(fā)生板件屈曲，導致試件發(fā)生破壞．

4.2.2?剛度和承載力

由于本文試件箱形截面的剛度較大，選取文獻[9]中的相連對肢箱形桿件節(jié)點試件JD1與本文試件中的箱形桿件1、4的節(jié)點進行彎矩-轉角曲線和相應節(jié)點剛度的對比分析，結果見圖14．

圖13?試件JD1及JD2的破壞形態(tài)

圖14?不同試驗方式節(jié)點性能對比

在試驗加載初始階段，試件各部分處于彈性狀態(tài)，節(jié)點盤變形很小，本文試驗與文獻[9]試驗得到的彎矩-轉角曲線基本重合，節(jié)點剛度幾乎相同；緊固環(huán)槽鉚釘滑移造成的曲線平緩段不同是因為兩試驗的試件安裝過程存在一定差異．在加載后期，本文試件PS1的面外抗彎剛度大于試件JD1，是因為在施加荷載達到一定數(shù)值時，試件JD1的上節(jié)點盤受到單方向的擠壓，板件變形在垂直桿件方向擴展釋放，具有較強的變形能力；而試件PS1上節(jié)點盤受到面內(nèi)3個方向(夾角60°)擠壓作用力，板件變形相互制約，造成試件節(jié)點中心的撓度較小，試件剛度較大．同時，三向受壓的上節(jié)點盤變形相互制約，導致上節(jié)點盤出現(xiàn)局部屈曲，也促使相連桿件發(fā)生局部屈曲變形，節(jié)點屈曲破壞時對應的承載力小于下節(jié)點盤連接處板件斷裂時對應的承載力，因此，試件PS1的節(jié)點等效面外受彎承載力小于試件JD1的節(jié)點等效面外受彎承載力．

5?結?論

(1)鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件承受極限面外彎曲荷載時，上節(jié)點盤發(fā)生明顯的屈曲變形，下節(jié)點盤變形極小，且板件基本處于彈性階段．各肢桿件與上節(jié)點盤連接處腹板出現(xiàn)明顯變形，其中箱形桿件腹板變形最為突出，上節(jié)點盤與工字形桿件的連接處出現(xiàn)斷裂．

(2)由于鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件上節(jié)點盤以及各肢桿件連接處腹板的變形明顯，建議在實際工程適當增加節(jié)點盤厚度并加強桿件連接端部腹板，以提高節(jié)點的剛度和承載力．

(3)鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點為半剛性節(jié)點，節(jié)點剛度較大，但其延性較差，在設計和使用中需要進一步加強和改進．

(4)通過與相同形式的相連對肢節(jié)點試件JD1和JD2對比可知，鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件中六肢桿件之間存在共同作用和相互約束，提高了節(jié)點剛度，而上節(jié)點盤的受壓屈曲變形降低了節(jié)點的面外受彎承載力．

(5)鋁合金箱形-工字形盤式節(jié)點整體試件加載全過程的有限元模擬結果與試驗結果擬合良好，可為今后該類盤式節(jié)點的精細化分析提供可靠的參考．

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Experimental Investigation of Overall Deformation Performance of Aluminum Alloy Box-I Section Member TEMCOR Joints

Wang Yuanqing1，Zhang Ying1，Zhang Junguang1，Ouyang Yuanwen2

(1.Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Ministry of Education of China，Tsinghua University，Beijing 100084，China； 2. Shanghai Jianke Aluminum Structure & Architecture Research Institute，Shanghai 200949，China)

Aluminum alloy reticulated shells have shown prospects for wide application in large-span space structures．In the Nanjing Oxhead Mountain Buddha Palace project，China，aluminum alloy box-I section member TEMCOR joints are used in its reticulated shells．The joint plates are connected by stainless steel swage-locking pins with joint members of two sections．In order to study the mechanical behavior，deformation performance，overall stiffness，failure mode，and moment resistance of these joints under out-of-plane bending load，a test of a full-scale specimen was conducted．The complete loading process was simulated by the general finite element software ABAQUS，and the test results were compared with their counterparts for the two opposing members．Test results showed that the aluminum alloy box-I section member TEMCOR joint is semi-rigid with high stiffness and poor duc-tility．Buckling deformations occurred in the upper plate under the out-of-plane bending load，and the lower plate was still in an elastic stage when the joint failed．Clear buckling deformations and fractures occurred in the webs of the connecting parts of the members and the upper plate．The numerical simulation of the full-scale finite element model agreed well with the experimental results，indicating its reliability in engineering applications．Compared with the joint of two opposing members，the stiffness of the joint was improved by the interaction between its members，although ductility and bearing capacity of the joint were reduced，requiring improvement for further engineering applications．

box-I section member TEMCOR joints；deformation performance；failure mode；finite element analysis

Supported by the Special Research Foundation for Doctoral Discipline Points in Colleges and Universities(Priority Development Areas，No.20110002130002).

TU391

A

0493-2137(2020)05-0527-08

10.11784/tdxbz201907034

2019-07-11；

2019-09-27.

王元清（1963—??），男，博士，教授，wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn.

張?穎，zhangyin18@mails.tsinghua.edu.cn.

高等學校博士學科點專項科研基金(優(yōu)先發(fā)展領域)資助項目(20110002130002).

(責任編輯：劉文革，樊素英)