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发布时间：2022-02-14 11:18所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：以新型模块化单层铝合金网壳节点的受力性能的试验实测数据为基础，探究该类新型模块化单层铝合金网壳节点的中心区加强环、模块化单元的底板厚度、中心区加强环的侧板厚度对节点抗弯承载力的影响规律。运用ABAQUS软件对三种不同构造的新型模块化单层铝合金网壳
摘要：以新型模块化单层铝合金网壳节点的受力性能的试验实测数据为基础，探究该类新型模块化单层铝合金网壳节点的中心区加强环、模块化单元的底板厚度、中心区加强环的侧板厚度对节点抗弯承载力的影响规律。运用ABAQUS软件对三种不同构造的新型模块化单层铝合金网壳节点进行了非线性有限元分析，对新型模块化单层铝合金网壳节点与传统板式节点的受力性能进行对比分析。结果表明：与传统板式节点相比，新型模块化单层铝合金网壳节点的平面外抗弯承载力增幅可达20%，中心区加强环的设置有效提高了新型模块化单层铝合金网壳节点的抗弯承载力，并使节点在屈曲后避免发生脆性破坏。
关键词：单层铝合金网壳;新型模块化节点;弹塑性分析;抗弯承载力
0引言
基于板式节点的铝合金单层网壳结构，邹磊[1]对三种荷载作用下的结构选用了不同的节点弯曲刚度和扭转刚度进行试算。郭小农等[2]对铝合金板式节点的承载力进行理论分析，提出了节点板块状拉剪破坏的承载力计算公式以及节点板局部屈服承载力的计算公式。上海交通大学的张竟乐[3]分析了影响铝合金圆形盖板节点刚度的因素，给出针对这种特性节点的刚度公式，但其适用性有所限制。
上述文献的研究结果，基本上都是针对传统铝合金板式节点开展的，为此本文有针对性地运用ABAQUS软件，对模块化单元组成的模块化单层铝合金网壳节点(简称新型模块化节点)进行弹塑性有限元分析，并结合笔者团队所做的节点承载力试验数据[4]，研究该类新型模块化节点各部件的应力分布状况及破坏机理，并与传统板式节点进行对比分析，为今后实际工程中该类模块化节点的设计提供参考。
1新型模块化节点形式
为了克服传统板式节点在梁腹板内不连续的缺点，提高节点的承载性能，同时保证节点域内梁翼缘抵抗面外弯矩的作用，新型模块化节点在节点域内将抵抗剪应力的竖向板件与抵抗面外弯矩的面内板件进行整合。新型模块化节点由模块化单元、中心区加强环和H型铝合金梁三部分构成，各部分通过螺栓进行连接。在节点域内，模块化单元承受节点的弯剪组合作用，中心区加强环发挥加固作用，并使节点协调受力。
2弹塑性有限元模型
运用ABAQUS软件对新型模块化节点进行有限元分析[5-6]，新型模块化节点试件中材料的力学性能及本构关系。为提高有限元分析结果的精度和收敛速度，在建模时对新型模块化节点各部件的开孔处和容易发生应力集中的部位，进行了精细化的网格处理[7-8]。H型铝合金梁的截面为H110×60×5×5。网格划分采用hypermech进行ABAQUS前处理，并充分考虑顶板、底板与H型铝合金梁之间，以及不锈钢螺栓与螺栓孔之间的接触关系，采用面对面接触单元连接[9-10]。本文选用C3D8R单元模拟新型模块化节点的各个部件，可大大缩短计算时间，位移的求解结果也较准确。
与试验现象吻合的有限元模拟结果如下：
1)试件在模块化单元底板最后一排螺栓孔处首先进入塑性，随着荷载的增大，塑性范围向靠近螺栓群的方向发展;2)中心区加强环在远离中性轴的下边缘处首先进入塑性，随后向上扩展;3)随着中心区加强环内塑性应力区的增大，中心区加强环沿垂直于梁轴线平面发生拉裂破坏。
4)模块化单元塑性区扩散至整个底板，致使底板起拱屈曲，同时带动模块化单元的侧板向内侧起拱，侧板屈服剪应力发展至螺栓孔区域，直至孔间裂缝贯通拉裂;5)中心区加强环与模块化单元塑性屈服，H型铝合金梁相互错开，在梁翼缘腹板轴线处出现塑性区;6)节点破坏时除H型铝合金梁的翼缘螺栓孔区域、模块化单元及中心区加强环的中性轴以下区域外，其他部分的应力仍基本在弹性阶段。
4有限元分析结果与试验结果的对比分析
4.1节点承载力的影响
在加载初期，有限元分析结果能很好地贴合试验曲线;但在后期，由于螺栓群剪切破坏，使得曲线发生了偏离。并且根据SJ2、SJ3各自与JD2、JD3的偏离程度。螺栓破坏较少的JD2的试验实测值与有限元分析结果的平均误差为4.3%;而JD3的有限元结果与试验实测结果的平均误差为7.28%。可见，本文对节点采用的弹塑性有限元分析方法是可靠的。
4.2板厚的影响
根据上述对新型模块化节点的破坏模式分析，本文选取两个较重要的影响参数，即模块化单元的底板厚度和中心区加强环的侧板厚度，其余板厚均保持5mm不变，对不同板厚的模块化单元、中心区加强环进行有限元参数化分析。
增大模块化单元底板的厚度可提高节点的承载力，当底板的厚度达到10~12mm(即为顶板厚度的两倍)时，节点的荷载-位移曲线的增幅高于其他曲线，此时的承载力从49kN增大到55kN，增幅达10%。而在节点试验中也有类似结果，即在模块化单元加载过程中，顶板的压力增幅仅为底板的一半。为此我们建议今后设计该类节点时，尽量使模块化单元的底板厚度不小于顶板厚度的两倍，该结论与传统板式节点中，要求圆形盖板的厚度与梁腹板厚度相同的建议有很大区别[11]。
当中心区加强环的侧板厚度达到6mm时，节点的荷载-位移曲线增幅高于其他曲线，节点承载力从49.25kN增大到50.73kN，增幅仅3%，前期的刚度变化也不大。可见适当增大中心区加强环的侧板厚度，使其比模块化单元侧壁厚度约高出20%，能够更好地发挥两者之间的协同效果。
综合上述影响因素，为优化新型模块化节点的承载性能，本文建议在今后的节点设计中，将模块化单元的底板厚度增大为其余板厚的两倍以上，同时中心区加强环的侧板厚度相比于模块化单元件侧壁厚度增大20%，以达到新型模块化节点较合理的刚度配置。
5结论
(1)本文以新型模块化铝合金节点的试验实测数据为依据，对3个新型模块化节点进行了弹塑性有限元分析。结果表明，有限元分析得到的节点破坏模式与试验实测情况完全吻合，即模块化单元的侧板与底板首先进入塑性，中心区加强环在下侧区域的角部拉裂，导致与H型铝合金梁腹板交接处的螺栓拉剪脱落而整体失效。
(2)通过对荷载-位移曲线的研究表明，该类新型模块化节点呈现高延性，相对于传统板式节点，其承载力增幅可达20%。在破坏阶段，新型模块化节点的强度衰减变缓。中心区加强环的设置进一步提高了该类节点的承载力，有效约束了各模块间的变形。
(3)通过对模块化单元底板及中心区加强环厚度的参数分析，建议将模块化单元的底板厚度增大为其余板厚的两倍以上，中心区加强环的厚度相比于模块化单元件侧壁厚度增大20%，能够进一步改善该类新型模块化节点的承载性能。
参考文献：
[1]邹磊.重庆空港体育馆铝合金穹顶结构分析[D].上海:上海交通大学,2003.
[2]郭小农，熊哲，罗永峰，等.铝合金板式节点承载力设计方法及构造要求[J].同济大学学报(自然科学版),2015,43(1):46-52.
[3]张竟乐.网壳节点刚度及其对整体稳定性的影响[D].上海:上海交通大学,2003.
[4]周赟文，赵才其.新型模块化单层铝合金网壳节点的试验研究[J].建筑钢结构进展,2021,23(11):72-81.
[5]KIMTAESOO,KUWAMURAHITOSHI,KIMSEUNGHUN,etal.Investigationonultimatestrengthofthin-walledsteelsingleshearboltedconnectionswithtwoboltsusingfiniteelementanalysis[J].Thin-WalledStructures,2009,47(11):1191-1202.
[6]KIMTAESOO,KUWAMURA.Finiteelementmodelingofboltedconnectionsinthin-walledstainlesssteelplatesunderstaticshear[J].Thin-WalledStructures.2007,45(4):407–421.
作者：周赟文，赵才其
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《新型模块化单层铝合金网壳节点的弹塑性分析》