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)

0 引言

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)[3](见图1)；跨度144 m的意大利Civitavecchia的某发电厂[4](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。

2 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[5]。

1999年，同济大学李明、钱若军等[7]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[8]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[9]在大量试验的基础上，采用有限元软件ANSYS对包括多个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、Ramberg-Osgood模型中应变硬化指数n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

3.1 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载力的影响。1996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[13]，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[15]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，也是目前需要深入研究的方向之一。

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[14]、罗永峰[19]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[21，22]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Newmark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[23]利用Midas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。

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入的研究。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步发展。