铝合金板式节点网壳结构高温承载性能研究

The aluminum alloy latticed shells with gusset joints have a widespread application prospect. However, the refractory nature of aluminum alloy is weak. Recently, the research on the mechanical behavior of aluminum alloy latticed shells with gusset joint at elevated-temperatures is lacked. Based on the previous researched, this project focus on the bearing capacity of the aluminum alloy latticed shells with gusset joint at elevated-temperatures. Firstly, the elevated-temperatures tests on stainless steel bolt, aluminum alloy shear connection, aluminum alloy gusset joint and aluminum alloy latticed shell need to be conducted. Secondly, the analysis is developed by means of finite element (FE) method simulation. According to the experimental and FE results, the constitutive relation of stainless steel bolt, the formulae to estimate bearing capacity and stiffness of aluminum alloy shear connection and the formulae to estimate bearing capacity and stiffness of aluminum alloy gusset joint will be derived. Subsequently, in order to establish the latticed shell model, the mechanical model of member element considered joint stiffness is proposed. Finally, the design method to evaluate global buckling capacity of aluminum alloy latticed shells with gusset joint at elevated-temperatures is developed. In addition, the achievement which is significant and practical is of great help in the practical engineering.

铝合金板式节点网壳结构的应用非常广泛，然而铝合金的高温性能较差、防火问题突出。目前，国内外对于铝合金板式节点网壳高温承载性能的研究基本为空白。本项目将在课题组积累的相关研究成果基础上，对铝合金板式节点网壳的高温承载性能进行系统深入的研究。拟逐步完成不锈钢螺栓高温性能试验、铝合金抗剪连接高温性能试验、铝合金板式节点高温性能试验和铝合金板式节点网壳结构高温性能试验。采用非线性有限元方法进行大规模数值分析，结合试验结果得出不锈钢螺栓的高温本构关系、铝合金抗剪连接的高温下承载力和刚度计算公式、铝合金板式节点的高温下承载力和刚度计算公式；进而提出考虑节点刚度的杆件单元力学模型，并最终给出评估铝合金板式节点网壳高温下整体稳定承载力的实用方法，建议其临界温度的计算方法。研究成果有望填补国内外空白，并能直接用于实际工程，具有重要的理论意义和工程实用价值。

板式节点由于其外形美观、施工方便的特点，被广泛应用于铝合金单层网壳结构中。目前对铝合金板式节点单层网壳常温下的稳定承载性能研究已经趋于完善。然而有研究表明，铝合金材料的高温力学性能较差，结构在火灾下的安全问题突出。为了进一步推进铝合金板式节点网壳的应用和发展，其抗火性能亟待研究。本课题以铝合金板式节点网壳为研究对象，对其高温承载性能进行研究。主要研究成果有：.（1）完成了10个不同温度下铝合金板件不锈钢螺栓双剪连接试验。试验结果表明温度会影响抗剪连接的破坏模式。采用ABAQUS建立了数值分析模型，进一步研究了温度、芯板宽度、芯板厚度、螺栓直径和螺栓端距等参数对连接承载力的影响，最后拟合了铝合金板件不锈钢螺栓抗剪的高温承载力计算公式；（2）完成了3组共计9个铝合金板式节点的高温下平面外抗弯承载力试验。采用ABAQUS软件对试件进行了数值模拟，并进行了大规模参数分析，得到了铝合金板式节点高温下的抗弯刚度和承载力计算式。（3）完成了12根铝合金H型截面构件偏心受压稳定承载力试验，并采用ANSYS对试验进行了数值模拟；随后，对不同铝合金牌号、截面类型、截面规格和长细比的国产铝合金偏压构件进行了大规模参数分析，提出了铝合金偏压构件高温下的弯扭稳定承载力计算公式；（4）完成了铝合金板式节点单层球面网壳抗火试验的设计和分析，铝合金网壳试件已经制作完成。.以本课题为背景，共培养博士生3人（1人毕业，2人在读）、硕士生7人；发表相关论文36篇，其中SCI检索12篇、EI检索27篇、中文核心期刊论文16篇。.项目申请书中计划的研究内容基本完成，包括不锈钢螺栓的高温承载性能试验研究、板式节点的高温承载力试验研究和板式节点的高温弯曲刚度研究；并补充了铝合金板式节点滞回性能研究、铝合金板式节点网壳阻尼比试验研究、国产铝合金低温力学性能试验研究、国产铝合金高温力学性能试验研究、国产铝合金滞回性能试验研究、新型螺栓球柱节点试验研究和新型咬合式连接试验研究。本项目的研究成果可完善铝合金结构的研究体系，也可为铝合金结构的推广和发展打下基础。