鋁合金板式節(jié)點的承載性能研究

由于具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，鋁合金材料在大跨度結(jié)構(gòu)中備受青睞。作為大跨度結(jié)構(gòu)主要節(jié)點形式之一，鋁合金板式節(jié)點被廣泛運(yùn)用。本課題以鋁合金板式節(jié)點為研究對象，對其承載性能進(jìn)行研究。主要研究成果有： （1）完成了18件鋁合金螺栓抗剪連接試驗，63件鋁合金抗拉連接的試驗研究。提出鋁合金構(gòu)件螺栓受剪連接的孔壁承壓變形失效準(zhǔn)則，推導(dǎo)出鋁合金構(gòu)件孔壁承壓強(qiáng)度和孔壁變形剛度的計算公式，對我國規(guī)范的計算公式進(jìn)行了修正。（2）完成了25件鋁合金T型連接試驗的試驗研究，并完成了T型連接的數(shù)值分析。對現(xiàn)有鋁合金T形連接的簡化計算模型及螺栓內(nèi)力的相關(guān)假定進(jìn)行修正，并推導(dǎo)了T型連接在不同破壞模式的極限承載力計算公式，并對歐洲規(guī)范和我國規(guī)范的計算公式進(jìn)行了修正和補(bǔ)充。（3）完成了17件鋁合金板式節(jié)點試驗；并完成了板式節(jié)點的數(shù)值分析。根據(jù)試驗結(jié)果，總結(jié)了鋁合金板式節(jié)點的破壞模型；針對不同的破壞模式，提出了相應(yīng)的承載力計算公式和相關(guān)構(gòu)造要求，提出了鋁合金板式節(jié)點的節(jié)點剛度的計算公式。研究成果對我國鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了補(bǔ)充。（4）完成了鋁合金板式節(jié)點單層球面網(wǎng)殼試驗的設(shè)計和分析，鋁合金網(wǎng)殼試件已經(jīng)制作完成。對鋁合金板式節(jié)點單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究和總結(jié)，采用本課題推導(dǎo)的板式節(jié)點的節(jié)點剛度計算公式，得出了節(jié)點剛度對網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性的影響規(guī)律。 以本課題為背景，共培養(yǎng)博士生2人（1人畢業(yè)，1人在讀）、碩士生2人（1人畢業(yè)，1人在讀）；發(fā)表相關(guān)論文6篇，其中EI檢索4篇，ISTP檢索1篇。 項目申請書中計劃的研究內(nèi)容基本完成，包括板式節(jié)點的承載力試驗研究、板式節(jié)點的剛度試驗研究、板式節(jié)點單層網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性試驗研究；并補(bǔ)充了鋁合金抗剪連接試驗研究和鋁合金T型連接試驗研究。 2100433B

鋁合金是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，在標(biāo)志性公共建筑、干煤棚、大型儲罐頂蓋等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。板式節(jié)點連接方便、外形美觀，是鋁合金結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點型式。由于鋁合金結(jié)構(gòu)在我國起步較晚，目前國內(nèi)對板式節(jié)點的研究還不夠深入，還沒有形成成熟的設(shè)計方法、板式節(jié)點的節(jié)點剛度也無法準(zhǔn)確計算。這嚴(yán)重影響了鋁合金結(jié)構(gòu)在我國的推廣應(yīng)用。本項目在已有研究成果的基礎(chǔ)上，擬對鋁合金板式節(jié)點的承載性能和節(jié)點剛度進(jìn)行系統(tǒng)深入的試驗和理論研究，并結(jié)合我國現(xiàn)有規(guī)范體系，提出板式節(jié)點的設(shè)計方法和節(jié)點剛度的計算方法。研究成果能直接用于實際工程，具有重要的理論意義和工程實用價值，應(yīng)用前景非常廣闊。另外，相關(guān)試驗表明，板式節(jié)點的節(jié)點剛度會明顯降低鋁合金單層網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定承載力。故本課題擬進(jìn)一步研究節(jié)點剛度對鋁合金單層網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性的影響，給出評估板式節(jié)點單層鋁合金網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性的實用方法。

板式節(jié)點由于其外形美觀、施工方便的特點，被廣泛應(yīng)用于鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中。目前對鋁合金板式節(jié)點單層網(wǎng)殼常溫下的穩(wěn)定承載性能研究已經(jīng)趨于完善。然而有研究表明，鋁合金材料的高溫力學(xué)性能較差，結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的安全問題突出。為了進(jìn)一步推進(jìn)鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼的應(yīng)用和發(fā)展，其抗火性能亟待研究。本課題以鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼為研究對象，對其高溫承載性能進(jìn)行研究。主要研究成果有： （1）完成了10個不同溫度下鋁合金板件不銹鋼螺栓雙剪連接試驗。試驗結(jié)果表明溫度會影響抗剪連接的破壞模式。采用ABAQUS建立了數(shù)值分析模型，進(jìn)一步研究了溫度、芯板寬度、芯板厚度、螺栓直徑和螺栓端距等參數(shù)對連接承載力的影響，最后擬合了鋁合金板件不銹鋼螺栓抗剪的高溫承載力計算公式；（2）完成了3組共計9個鋁合金板式節(jié)點的高溫下平面外抗彎承載力試驗。采用ABAQUS軟件對試件進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了大規(guī)模參數(shù)分析，得到了鋁合金板式節(jié)點高溫下的抗彎剛度和承載力計算式。（3）完成了12根鋁合金H型截面構(gòu)件偏心受壓穩(wěn)定承載力試驗，并采用ANSYS對試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬；隨后，對不同鋁合金牌號、截面類型、截面規(guī)格和長細(xì)比的國產(chǎn)鋁合金偏壓構(gòu)件進(jìn)行了大規(guī)模參數(shù)分析，提出了鋁合金偏壓構(gòu)件高溫下的彎扭穩(wěn)定承載力計算公式；（4）完成了鋁合金板式節(jié)點單層球面網(wǎng)殼抗火試驗的設(shè)計和分析，鋁合金網(wǎng)殼試件已經(jīng)制作完成。 以本課題為背景，共培養(yǎng)博士生3人（1人畢業(yè)，2人在讀）、碩士生7人；發(fā)表相關(guān)論文36篇，其中SCI檢索12篇、EI檢索27篇、中文核心期刊論文16篇。 項目申請書中計劃的研究內(nèi)容基本完成，包括不銹鋼螺栓的高溫承載性能試驗研究、板式節(jié)點的高溫承載力試驗研究和板式節(jié)點的高溫彎曲剛度研究；并補(bǔ)充了鋁合金板式節(jié)點滯回性能研究、鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼阻尼比試驗研究、國產(chǎn)鋁合金低溫力學(xué)性能試驗研究、國產(chǎn)鋁合金高溫力學(xué)性能試驗研究、國產(chǎn)鋁合金滯回性能試驗研究、新型螺栓球柱節(jié)點試驗研究和新型咬合式連接試驗研究。本項目的研究成果可完善鋁合金結(jié)構(gòu)的研究體系，也可為鋁合金結(jié)構(gòu)的推廣和發(fā)展打下基礎(chǔ)。 2100433B

鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛，然而鋁合金的高溫性能較差、防火問題突出。目前，國內(nèi)外對于鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼高溫承載性能的研究基本為空白。本項目將在課題組積累的相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，對鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼的高溫承載性能進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。擬逐步完成不銹鋼螺栓高溫性能試驗、鋁合金抗剪連接高溫性能試驗、鋁合金板式節(jié)點高溫性能試驗和鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)高溫性能試驗。采用非線性有限元方法進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值分析，結(jié)合試驗結(jié)果得出不銹鋼螺栓的高溫本構(gòu)關(guān)系、鋁合金抗剪連接的高溫下承載力和剛度計算公式、鋁合金板式節(jié)點的高溫下承載力和剛度計算公式；進(jìn)而提出考慮節(jié)點剛度的桿件單元力學(xué)模型，并最終給出評估鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼高溫下整體穩(wěn)定承載力的實用方法，建議其臨界溫度的計算方法。研究成果有望填補(bǔ)國內(nèi)外空白，并能直接用于實際工程，具有重要的理論意義和工程實用價值。

鋼框架梁端翼緣板式加強(qiáng)型節(jié)點是梁柱改良抗震節(jié)點的一種形式，這種節(jié)點包括翼緣板加強(qiáng)型及蓋板加強(qiáng)型節(jié)點兩種類型。

梁端翼緣板式加強(qiáng)型節(jié)點可以耗散大部分能量，避免梁根部應(yīng)力發(fā)展導(dǎo)致梁柱連接焊縫過早出現(xiàn)脆性破壞，實現(xiàn)塑性鉸外移。與傳統(tǒng)節(jié)點相比，具有更強(qiáng)的塑性變形能力和耗能能力，是一種較為理想的延性節(jié)點。采用翼緣板或蓋板對梁翼緣進(jìn)行加強(qiáng)可以使試件承載能力有所提高，在抗震設(shè)計中可以考慮翼緣加強(qiáng)板對試件承載能力提高的影響。 2100433B