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铝合金空间格结构节点研究现状

【铝道】空间格结构是由离散的杆件通过节点连接集成的结构系统，所以节点是结构系统中重要的受力部分，节点不仅要连接构件，同时还起到传递力流的作用。每个节点应至少连接3根构件以保持稳定性，并且既要能抵抗不平衡力产生的扭转效应，又要能抵抗由于施工安装误差在结构体系中产生的残余应力。另外，交汇于节点的轴力构件越多，结构体系的形态学可能性就越多。在节点体系中，美国Unistrut体系、德国Mero体系、加拿大Triodetic体系、美国Temcor体系、日本NS体系等应用较为广泛。铝合金由于其可焊接性能差，在空间格结构中主要采用机械连接形式的节点，广泛应用的是螺栓球节点和Temcor公司的板式节点，前者主要用于架和双层壳，后者用于单层壳。另外，日本的螺栓球节点和嵌入式节点亦在铝合金单层壳结构中有部分应用。

4.1铝合金单层壳节点

现有的较为成熟的铝合金单层格结构节点体系为美国Temcor公司的专利，但未见可参考的国外相关研究文献。其节点形式是在中心处交汇若干工字形截面杆件，于上下翼缘处各设一块铝合金盖板，每根杆件通过上下翼缘的紧固螺栓与铝合金盖板相连接。我国已建成并投入使用的多座铝合金单层壳均采用了该节点体系。

在板式节点设计中，圆盘的直径、起拱量、螺栓(孔)的规格与数量及圆盘厚度为关键参数。其中圆盘直径需满足交汇杆件互不干涉的要求，圆盘起拱量取决于相应杆件与节点切平面的夹角。运用ANSYS有限元软件对板式节点的杆件、节点板和螺栓进行受力分析得出:螺栓以剪切破坏为主;上下节点板均以正应力为主，越靠近边缘应力越小;杆件一般不会发生材料的强度破坏。但其使用的分析模型中螺栓数量较少，导致单个螺栓应力较大而成为节点构造的薄弱环节。分析了板式节点在弹性范围内刚度随杆件截面的高度、宽度、腹板厚度和盖板厚度及直径等基本参数的变化规律，并通过拟合给出了节点绕杆件强轴弯曲刚度的计算公式。但其模型并未考虑螺栓连接的接触问题，仅给出了一种特定特征参数节点的刚度公式，适用性不强。为分析铝合金单层壳板式节点的受力状况和破坏机理，采用有限元分析软件ANSYS对典型节点进行了数值模拟，结果表明，节点板和连接螺栓具有相似的安全度，是板式节点中强度和刚度较高的部件，而杆件是板式节点中较薄弱的部分，认为板式节点的破坏机理首先是杆件破坏、其次是节点板屈曲、较后是连接螺栓破坏。通过对板式节点进行有限元分析得出，杆件和盖板均在螺栓孔边缘处存在着应力集中，并从盖板外边缘向节点中心逐步减轻，杆件与盖板接触面处应力较大，但整体来看杆件与盖板均有较高的安全性;通过关键点的位移计算了节点绕杆件强轴的弯曲刚度，并认为该节点为半刚性节点。由于其模型中未考虑螺栓，所以不能反映螺栓与杆件及节点板的相互作用，也未能对螺栓的失效特征进行研究。为验证铝合金板式节点的强度和刚度，对其进行了数值模拟，结果表明，正常工作状态下节点板和螺栓应力均较小，得出了节点的弯矩-转角曲线并认为节点刚度满足刚接假定。

综上所述，可以看出铝合金单层壳结构板式节点的研究尚存在一些不足，其中包括:1)试验研究匮乏，大多数研究仅局限于数值模拟，缺乏试验验证;2)有限元分析模型中均未考虑螺栓的预紧力，有些模型中仅考虑了节点耦合并未建立螺栓的实体模型;3)大多数有限元分析模型忽略了面内弯矩作用，实际上板式节点的面内抗弯刚度相比于面外抗弯刚度小得多，所以该简化假定的合理性有待进一步研究。对其他形式的铝合金单层壳节点，国内外学者亦进行了一些研究。对一种用于箱型截4)遇节假日面杆件连接的铝合金单层壳铸铝__节点进行了试验研究与数值分析，结果表明，该铸铝节点平面外的抗弯刚度明显高于平面内的抗弯刚度，指出较不利截面在螺栓孔削弱处，在设计中保证强度的前提下应适当减少螺栓孔数量，提出了该铸铝节点承载力简化设计公式。该节点铸铝部分破坏形式为脆性破坏，虽然文献中建议在设计中考虑合适的安全系数以避免节点突然失效，但最后铸铝延性较差的特性依然制约了该节点形式的推广。为分析铝合沧州金单层球面壳嵌入式节点的刚性，Sugizaki等进行了详细的试验研究，包括节点的拉压试验、单个三角形格单元的受压与绕强、弱轴受弯试验，认为该节点为面外刚接、面内半刚接。Sugizaki等使用NASTRAN软件对节点进行了有限元分析，考察了节点区域杆件变截面部分和嵌槽与杆件接触部位的应力，另外还瓦刀对节点刚性进行了定量评价。Hiyama等对铝合金单层壳螺栓球节点进行了试验与数值模拟，提而且和主针不重合出了节点刚度和承载力近似计算公式，结果表明，薄弱区域不会出现脆性断裂，并且节点刚度和承载力随连接构件截面增大而提高。

4.2铝合金双层壳及架节点

对FAST工程主动反射面铝合金双层壳结构的节点进行研究，选择使用高强螺栓连接的嵌入式节点，进行缩尺模型试验，结果表明，节点位移高于理论计算值，原因是铝合金嵌入式节点连接刚性较弱，导致结构变形较大，可通过节点构造来克服这一缺陷，但并未提出具体改进方案。

架结构中应用较为合成器广泛的是螺栓球节点，在构造时首先将置有螺栓的锥头或封板焊在管件两端，在伸出锥头或封板的螺杆上套长形六角套筒，以销子或紧固螺钉将螺栓与套筒连接在一起。拼装时直接拧动长形六角套筒，通过销钉或紧固螺钉带动螺栓转动，从而使螺栓旋入球体直至螺栓头与封板或锥头贴紧为止，各汇交杆件均按此方式连接后即形成节点。螺栓球球体在直径满足空间几何关系后强度一般能满足要求不会被拉断，但在加工时应保证螺孔的强度避免过早破坏。应注意铝合金螺栓球节点的螺栓应进行镀锌处理或采用不锈钢螺栓以防止接触腐蚀。

对铝合金螺栓球节点标签印刷机承载力进行了试验研究，包括铝螺栓球内螺纹受拉承载力、铝螺栓受拉承载力、铝封板的受拉承载力、铝封板与铝管的焊缝承载力等。对铝合金螺栓球节点进行了内螺纹试验和杆件的拉压试验。通过试验得到了节点及构件承载力的各项参数，为铝合金架的设计提供参考，并且还编制了SFCAD铝合金螺栓球节点架设计专用程序。对上海植物园铝合金架的螺栓与焊接混合连接式的3种类型节点进行了试验研究，结果表明，各节点承载力均由受拉斜腹杆焊缝强度控制。通过实测部分斜腹杆螺栓连接处的相对滑移与轴力的关系曲线并与理论分析结果对比，认为螺栓相对滑移使节点连接处滑移较大的腹杆内力减小。

上述对铝合金螺栓球节点的试验研究均局限于受力性能方面，未考虑节点刚性及其对结构整体性能的影响，也没有建立节点精细模型进行数值模拟。