铝合金网壳结构研究现状

第44卷第19期

2 0 1 8 年 7 月

SHANXI ARCHITECTURE

山 西建筑

Vol. 44 No. 19Jul. 2018

文章编号：1009-6825 (2018) 19-0038-03

铝合金网壳结构研究现状

马晓锋许杨健

(河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038)

摘要:铝合金空间网壳结构具有极大的发展前景。从典型工程实例、杆件稳定性、网壳结构三个方向展开，总结了国内外铝合金 空间网壳结构的研究现状，阐明了当前针对铝合金网壳结构的主要研究内容集中在蒙皮效应、节点半刚性、杆件初始缺陷对整体 稳定性的影响以及抗火性能的分析。关键词:铝合金，网壳结构，稳定性，研究现状

中图分类号:TU395〇

引言

文献标识码:A2

轴心受压构件

空间网壳结构的杆件在实际服役过程中受力方式以轴心受 压为主，轴心受压构件也是我国研究得最为深入的内容之一[]。

与钢材相比，铝合金具有质轻，耐腐蚀，无磁，易回收等优势。

2016年，铝的年产量约为1 500万t，仅次于钢铁，是工业最常用的 金属之一[1]。铝合金的强度与Q235钢材接近，而密度却仅为钢 材的1/3,深受结构工程师的喜爱[2]。将网壳结构的几何优势与 铝合金的材料性能优势结合，具有极大的理论研究价值和社会经 济价值。

简要介绍了国内外铝合金网壳结构的典型工程实例，从构件 和整体结构两个层次展开，介绍了铝合金杆件轴压稳定性以及铝 合金网壳整体结构力学性能研究现状。1

典型工程实例

铝合金特有的材料属性在与网壳结构几何形式相结合的过 程中逐渐崭露头角，受到越来越多的关注[1]。目前全球已有超过 7 000座铝合金空间结构，国外几个典型实例见图1〜图4,如 1951年，英国建造了跨度达111.3 m的“探索”穹顶（Festival South Bank Exhibition)[](见图 1 );跨度 14 m 的意大利 Civitavecchia 的某发电厂[](见图4)，是目前世界上跨度最大的铝合金网壳结 构。我国对铝合金的研究与应用起步较晚，但发展很快，建成了 一批具有代表性的铝合金网壳结构，见图5，图6。

图3埃米拉学院穆雷体育中心图4 Civitavecchia—合金网壳

图5平津战役纪念馆 图6上海国际体操中心

1999年，同济大学李明、钱若军等[]通过对几种不同长细比 铝合金圆管形轴心压杆的稳定试验，计算得出了铝合金轴心压杆 的稳定系数，并与几种公式的计算结果对比，得出了铝合金轴心

压杆设计的稳定系数计算公式。2001年，西安交通大学硕士研究 生林缄光[]通过试验与数值模拟相结合的方法，得出了铝合金轴 心压杆的稳定系数的近似表达式。2014年，清华大学研究生常 婷[]在大量试验的基础上，采用有限元软件ANSYS对包括多个

图1英国“探索”穹顶

图2南极穹顶

箱形截面及工形截面的铝合金轴压构件的稳定性能进行了研究， 探讨了局部几何初始缺陷、整体几何初始缺陷、屈服强度、Rambeg-山西建筑，2010,36(19) :86-87.

[4]马新建，刘伟，张斌.结构抗震静力实验方法综述[J].

Summary of structural test metliods and feasilbility study on small reaction wall^

SunBaitao1,2 Jiang Qi12 Yan Peilei1,2

(1. Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080 , China；

2. Key Laboratory of Earthquake

Engineering

and, Engineering

Vibration of China Earthquake Administration，Harbin

1

Abstract ： In

recent years，the earthquake

loss.

This

paper

disaster occurred frequently in China，and mainly

introduces the

the structural seismic test

reducing the earthquake principles，loading methods and examples of three

pseudo dynamic test and shaking table test, in order to guide practicc.

Key words： structural aseismic test，principle，loading system

收稿日期：018-04-21

作者简介：马晓锋（1991-)，男，在读硕士；许杨健（1956-)，男，硕士生导师，教授

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马晓锋等：铝合金网壳结构研究现状

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Osgood模型中应变硬化指数ra的影响。但对于铝合金杆件轴心 受压稳定性能的研究,国内外目前主要集中在双轴对称的单一截 面上,对组合截面铝合金杆件的研究鲜有提及。3

铝合金网壳结构单层网壳

目前针对网壳结构稳定性的研究主要关注于钢网壳结构，国 内外对于铝合金空间网壳结构稳定性能的研究尚不成熟。

1992年，天津大学刘锡良，郑岩等[10]编制有限元程序对一铝 合金网壳结构平衡路径进行跟踪，并对该模型进行了稳定性试 验,实测承载力为理论计算值的81.6% ,两者吻合较好。基于以 上模拟和试验，探讨了几何非线性对铝合金单层网壳结构稳定承 总体看来,在以上针对铝合金双层网壳的研究分析中，均未 考虑节点半刚性和杆件初始缺陷的影响。4

结论和展望

国外对铝合金网壳结构的研究比较成熟，其在我国的研究和 应用虽然起步较晚，但通过学者和工程师的努力,获得了快速的 发展。但目前的研究仍然存在一些不足，在之后的研究中各单位 应多进行沟通协调。在研究内容上应注意研究蒙皮效应、节点刚 度和杆件初始缺陷等对结构力学性能的影响，并积极进行新型节 点和结构体系的开发和研究,同时对其抗震和抗火性能也有必要 进行更加深人的研究。在研究方法上应尽可能进行试验验证，确 保数值模拟结果的准确性，进而推动铝合金空间网壳结构的进一 3.1

载力的影响。196年,Sugizaki等[11]在通过对4个直径为4. 2 m 的铝合金单层球面网壳的缩尺试验发现，仅在顶点施加集中荷载 的网壳承载力高于均布荷载作用下的网壳。

2000年，同济大学曾银枝、钱若军等[12]与美国TEMCOR公司 对一跨度9.608 m，矢高1.268 m的铝合金单层球面网壳的模型 静力加载试验，通过对比，验证了有限元理论在铝合金单层网壳 结构计算的可行性。不足之处是该试验3种荷载均加载于同一 模型，使得试验值与理论值差异逐次增大。

此外，王亚昌[1],郑科等[14]通过模型加载试验或非线性有限 元法对铝合金单层网壳稳定承载力进行了研究分析，发现了模型 的破坏模态，并分析了杆件刚度,矢跨比，初始缺陷，荷载分布方 式以及节点刚度对铝合金单层网壳稳定承载力的影响。

2017年，天津大学刘红波，丁艺喆等[1]使用有限元软件 ABAQUS针对铝合金单层网壳结构稳定性能进行了大规模参数化 分析,比较完整的总结了各因素对其稳定承载力的影响，推导了铝 合金单层网壳稳定承载力计算的实用公式。刘红波，陈志华[17'18] 等结合工程实例，对铝合金单层网壳受温度作用以及火灾发生时 的力学行为进行了探讨，也是目前需要深人研究的方向之一。

总体而言，国内外学者对铝合金单层球面进行了较为系统的 研究，发现铝合金单层网壳结构在发生失稳破坏时，杆件的应力 往往还处于较低水平,不利于材料强度的充分发挥，一定程度上 影响了铝合金空间网壳结构的推广应用。3.2 双层网壳

针对铝合金双层网壳，国内外学者进行了一系列研究探讨。 2000年，同济大学罗永峰，邓长根等[19]对500 m 口径球面望远镜 反射面铝合金双层网壳结构（即FAST工程）进行了承载能力及 正常工作状态的详细设计计算，通过与钢网壳进行综合经济技术 指标对比，发现选用铝合金结构体系更为合适。

郑科[1]、罗永峰[1]等通过对铝合金双层网壳1/3缩尺模型 进行的静力加载试验研究，得出了该双层网壳结构正常工作状态 下位移较小,在极限状态下杆件应力远小于其屈服强度。李丽 娟，谢志红等[2122]分析了铝合金双层球面网壳结构随参数变化的 自振特性,并采用Newmak积分法对该结构进行地震时程响应分 析，通过对比发现：当矢跨比增大至1/4时,结构的承载力较强； 动应力随着网格划分密度的增大而减小;杆件尺寸对结构地震响 应的影响相对较小。

2013年，天津大学陈志华，严仁章等[3]利用Mida软件对一 拟建跨度为125 m的弗伦第尔式铝合金网壳结构进行了理想模 型和带初始缺陷模型的特征值屈曲分析后，利用ANSYS软件进 行了考虑双重非线性的全过程跟踪分析，发现该结构对初始缺陷 较为敏感，在此基础上，系统地对空腹铝网壳的稳定性进行了研 究分析。

步发展。参考文献：

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[18] 刘红波，谌绍尧，陈志华，等.大跨度铝合金储煤仓结构温度

天

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第44卷第19期

2 0 18 年 7 月

SHANXI ARCHITECTURE

山西建筑

Vol.44 No. 19Jul. 2018

文章编号：1009-6825 (208) 19-0040-02

冷弯薄壁U型钢一稻草板组合墙体轴压力学性能有限元分析★

何欣李明芮刘相麟段玉鑫刘丹彤张秀华

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

摘要:针对低层冷弯薄壁型钢房屋墙体为主要承重构件的特点，利用ABAQUS有限元程序，对冷弯薄壁U型钢一稻草板组合墙 体进行有限元分析，研究包括组合墙体高厚比以及型钢厚度对稳定承载力的影响。研究结果表明，组合墙体高厚比越大，稳定承 载力降幅越明显;随型钢厚度的增加，稳定承载力有明显增加。关键词：冷弯薄壁型钢，组合墙体,承载力，有限元分析中图分类号:TU398

随着科技的进步,人们对于衣食住行等各方面的要求水平也 在不断上升。其中人类对于建筑的要求也从最原始的仅满足于 居住需求提升为要求舒适性、功能性更好的高品质建筑。这就要 求推出新型的建筑材料来满足各种新型的使用用途。因此，近年 来学者们开始了关于环保材料应用到建筑领域的研究。稻草板 这种新型的建筑材料正是由此而生的。冷弯薄壁型钢一稻草板 结构是一种新型的组合结构,结合冷弯薄壁型钢轻质高强便于加 工及纸面稻草板绿色环保消耗农业废物等特点，可优化单纯钢材 易失稳、农作物废料难以处理等问题[15]。本文以冷弯薄壁U型 钢一稻草板组合墙体为试验对象，通过ABAQUS分析软件进行建 模，研究墙体受轴向均布荷载作用下，墙体高厚比、钢墙架柱壁厚 对墙体稳定承载力影响，为其在实际工程中的应用提供理论 基础。1

有限元建模

冷弯薄壁U型钢一稻草板组合墙体，由冷弯薄壁U型钢与稻 草板通过自攻螺钉连接组装而成，稻草板的厚度为58 mm。1.1 试件设计

利用有限兀ABAQUS对不同高厚比、不同型钢厚度的组合墙 体进行模拟分析，研究其对墙体稳定承载力的影响，U型钢截面 尺寸80 mmx40 mmx2. 5 mm组合墙体厚〖=196 mm，组合墙体

场及温度效应研究[J].工业建筑，2018(1) :13-15.

[19] 罗永峰，邓长根，李国强，等.500m 口径主动球面望远镜反

射面支撑结构分析[J].同济大学学报（自然科学版）， 2000,8(4) ：497-500.

[20] Luo Y F,Deng C G,Li G Q，t al. Structural analysis of FAST

reflector supporting system [ J ]. Astrophysics and Space Sci­ence,2001,278( 1/2) ：231-236.

1.2

试件编号

WU-1WU-2WU-3WU-4WU-5WU-6

文献标识码:A具体参数见表1。

表1组合墙体尺寸参数

墙体尺寸（5xH)/m

1.2x1.412x2.01.2x2.41.2x2.81.2x2.01.2x2.0

型钢厚度/mm

2.52.52.52.52.01.5

高厚比7. 1410.2012.2414.2810.2010.20

材料参数

本试验稻草板及冷弯薄壁U型钢的材料属性是根据相关材

性试验数据所得到的，如表2所示。

表2材料参数

材料稻草板冷弯薄壁型钢

弹性模量

3482.01 05

/MPa

Uxl

泊松比0.3360.3

1.3有限元模型

创建稻草板及冷弯薄壁U型钢的三维部件，并为其创建截面 属性,选择均质实体，赋予所绘制部件材料属性。将各部件进行 组装，为组合墙体选取C3D8R(八节点线性六面体单元）单元，并 为其划分网格，如图1所示。模型顶端设置参考点RP-1,耦合参 考点与墙体上表面加载区域的^方向自由度，使其与参考点有相[21] 谢志红，李丽娟.铝合金双层网壳结构的抗震性能分析

[].华南理工大学学报（自然科学版），2003,31^1):127- 129.

[22] 谢志红.肋环型球面网壳结构的静动力分析[D].广州：广

东工业大学,2004.

性分析[J].空间结构,2013,19(2) :22-29.

[23] 严仁章，陈志华，王小盾，等.弗伦第尔空腹铝网壳的稳定

Research status of aluminum alloy reticulated shell structure

Ma Xiaofeng Xu Yangjian

(School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038, China)

Abstract ： Aluminum alloy

space reticulated shell structure has great development prospect. Based on typical engineering

bility and reticulated shell structure, this paper summarizes the research status of aluminum aioy space laaiced shell structure at home and a-broad，and clarifies that the main research content of aluminnmalloy latticed shell structure is focused on the skin effect. The effect of the initialdefects on the overall stability and the fire resistance of the joints are analyzed.

Key words: aluminum alloy，reticulated shell ltructure，stability，research status

收稿日期：018-04-2 ★:国家大学生创新性实验计划项目（编号201710225312)

作者简介:何欣（1996-)，男，在读本科生；李明芮（1996-)，男，在读本科生；刘相麟（1997-)，男，在读本科生；

段玉鑫（1997-)，女，在读本科生；刘丹彤（1996-)，女，在读本科生；张秀华（1970-)，女，副教授