铝合金作为一种新材料, 由于具有重量轻、强度高、耐腐蚀性强、加工性能好、资源丰富等独特的优越性, 在大跨空间结构中得到了越来越广泛的应用。板式节点是铝合金空间结构最常采用的节点形式, 其构造为上下两块节点板通过紧固螺栓与杆件上下翼缘连接。

　　 目前, 针对板式节点国内已经进行了一定的试验研究和理论分析。王元清等^[1]、韦申等^[2]、郭小农等^[3]先后对板式节点受弯剪荷载作用下的承载性能进行了研究, 在保证节点板厚度 (不小于杆件翼缘厚度) 条件下, 试验破坏模式均表现为节点区杆件下翼缘净截面破坏。即在铝合金单层网壳的实际工程设计中, 板式节点下翼缘螺栓孔对截面的削弱作用, 使得节点区成为设计的控制因素, 设计应力比减小, 如果通过加大杆件截面的方式满足设计要求, 会使材料用量大, 建筑美学效果差。

　　 因此, 本文提出通过角铝对节点区杆端进行加固, 对加固后的节点试件在轴拉和纯弯受力状态下的静力性能进行了有限元分析, 验证角铝加固法的有效性;对角铝加固件的几何参数进行参数分析, 找到影响加固效果的关键参数, 对加固件进行优化设计。

　　 目前, 国内针对铝合金板式节点的试验研究主要采用如图1所示的试验方法:将杆件对向两根杆件或六根杆件, 在杆端简支并限制其端部扭转;对节点区施加竖直向下的荷载, 使节点试件处于弯剪受力状态, 对其破坏现象和承载性能进行研究。

　　 根据目前已知的试验研究结果, 板式节点在弯剪荷载共同作用下的主要破坏模式有三种:节点区杆端下翼缘断裂、节点板块状拉剪破坏和节点板屈曲破坏^[1,2,3], 如图2所示。

　　 三种破坏模式中, 节点板的块状拉剪和屈曲破坏全部发生在节点板厚度小于铝合金工字形杆件翼缘厚度的条件下。在实际工程中, 可以通过调整节点板厚度, 使其大于铝合金工字形杆件翼缘厚度, 避免该类破坏的发生。但对于节点区杆端下翼缘断裂, 通长增大铝合金工字形杆件翼缘厚度, 会使得材料用量增大, 提高造价, 且截面尺寸增大对建筑美学效果也产生影响, 因此需要对节点区杆端进行局部加固设计。

　　 铝合金板式节点节点区细部构造如图3所示, 为使铝合金工字形杆件能够交于中心圆形节点区内并互成一定角度, 工字形杆件在杆端收进, 并在收进部分开螺栓孔, 通过紧固螺栓与上下节点板相连。这样的构造不仅使得杆端翼缘宽度减小, 还使得杆端存在螺栓孔削弱。杆端的净截面破坏成为设计的控制因素。

　　 针对上述截面削弱问题, 本文选用角铝对节点区杆端进行局部加固, 角铝加固件及其与杆端的连接构造如图4所示。为与杆件有效连接, 角铝加固件翼缘端部螺栓孔分布及细部尺寸与杆端相同;为减小截面削弱, 节点区外翼缘不布置螺栓孔;为使得角铝加固件在节点区外开始参与受力, 角铝加固件腹板在节点区内外均布置螺栓孔, 与杆端腹板相连。

　　 为验证加固方案的有效性, 选取上海市某项目典型节点, 采用角铝加固法对其节点区杆端进行加固。该节点由两种截面尺寸的四根工字形杆件交汇而成, 杆件夹角为90°。工字形杆件截面尺寸及节点盘尺寸参数如表1所示。节点区装配及加固件尺寸如图5所示。

　　 在ABAQUS软件中, 为提高运算效率、简化建模, 根据对称性建立如图6 (a) 所示的加固及未加固的1/2四杆件交汇铝合金板式节点有限元模型, 模型采用楔形网格, 单元类型选用六节点线性楔形单元C3D6, 板件切向接触采用摩擦接触, 摩擦系数取为0.15, 法相接触采用硬摩擦。单元布置及网格划分情况见图6 (b) ^[4]。约束模型对称面, 对自由端施加水平位移及绕截面强轴的弯矩。

　　 上述采用角铝加固法加固前后的板式节点在轴拉状态下的破坏模式如图7所示。6061-T6铝合金的极限塑性应变为0.1, 由图可知:

　　 采用角铝加固件加固件加固前, 板式节点的破坏模式为下翼缘最后一排螺栓孔处出现较大的塑性应变, 塑性区扩展至与其相邻的腹板, 节点板及节点区以外的杆件基本保持弹性, 表现为节点区破坏, 杆件完好。

　　 采用角铝加固件加固后, 板式节点的节点板、节点区杆件及角铝加固件基本保持弹性, 节点区以外的杆件大范围进入塑性, 表现为节点区完好, 杆件破坏。

　　 轴拉受力状态下采用角铝加固法加固前后的节点荷载-位移曲线如图8所示。加固前节点的轴拉极限承载力为4 751.96k N, 加固后节点的极限承载力为5 181.43k N, 承载力提高9.04%。

　　 纯弯受力状态下采用角铝加固法加固前后的节点荷载-位移曲线如图9所示。加固前节点的抗弯极限承载力为1 128.98k N·m, 节点刚度为48 228.41k N·m·rad^-1;加固后节点的抗弯极限承载力为1 195.73k N·m, 节点刚度为51 125.44k N·m·rad^-1;抗弯承载力提高5.91%, 节点刚度提高6.01%。

　　 由上述有限元分析可知, 角铝加固件改变了板式节点的破坏形态, 提高了其承载力及刚度。为进一步研究角铝加固件尺寸对加固效果的影响、找到影响加固效果的关键参数, 对加固件进行优化设计, 对角铝加固件的几何参数进行参数分析。由图5 (b) 的加固件尺寸可知, 角铝加固件的主要几何参数有:角铝长度l、角铝高度h以及角铝翼缘厚度t。以图5 (b) 所示角铝加固件尺寸为标准试件:

　　 (1) 对于角铝长度l对承载性能的影响的研究, 分别取l=275, 325, 375, 425, 475mm, 设计试件SP1~SP5。

　　 (2) 对于角铝高度h对承载性能的影响的研究, 分别取h=8, 63, 113, 163, 213mm, 设计试件SP6~SP10。

　　 (3) 对于角铝翼缘厚度t对承载性能的影响的研究, 分别取角铝翼缘厚度t=2, 4, 6, 8, 10, 12mm, 设计试件SP11~SP16。

　　 试件SP1~SP5, SP6~SP10, SP11~SP16轴拉受力状态的分析结果分别如图10~12及表2~4所示。未采用角铝加固的板式节点轴拉承载力为4 751 960N。

　　 由分析结果可知, 随着角铝长度的增加, 加固效果增强, 当l=475mm时承载力提高系数达到最大, 最大系数为9.26%。这是由于角铝长度的增加, 使得角铝加固件从节点区以外开始参与受力, 承载力提高。

　　 由分析结果可知, 角铝高度从8mm即角铝加固件腹板高度为0mm, 增加至63mm即腹板布置一排螺栓时, 承载力显著提高。继续增大角铝高度, 承载力不再提高。

　　 这主要是由于轴力作用使得节点进入塑性的区域为杆件上下翼缘, 及小范围与上下翼缘相连的腹板, 如图13所示。杆件节点区腹板中部基本处于弹性, 因此增大角铝高度不能提高节点轴拉承载力。

　　 由分析结果可知, 角铝翼缘厚度从2mm增大至8mm时承载力有所提高。继续增大角铝翼缘厚度, 轴拉承载力不再提高。

　　 这主要是由于当角铝翼缘厚度小于8mm时, 角铝翼缘沿靠近腹板的一排螺栓孔内侧发生剪切破坏, 如图14所示, 增大至8mm后避免了该种破坏模式的发生。

　　 (1) 通过对铝合金板式节点的三种破坏模式的分析, 提出采用角铝加固件对节点区杆件进行加固的方法。

　　 (2) 选取上海市某项目典型节点, 采用角铝加固法进行加固, 对角铝加固前后的板式节点进行有限元建模分析。分析表明加固前节点破坏模式为节点区破坏、杆件完好;加固后节点破坏模式为节点区完好, 杆件破坏;节点轴拉承载力提高9.04%、节点抗弯承载力提高5.91%、节点刚度提高6.01%。

　　 (3) 对角铝加固件的几何参数分析表明, 随着角铝长度增加, 加固效果增强;增大角铝高度不能提高节点轴拉承载力;角铝翼缘厚度增大至8mm, 轴拉承载力不再提高。