空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是由離散的桿件通過節(jié)點連接集成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，所以節(jié)點是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中重要的受力部分，節(jié)點不僅要連接構(gòu)件，同時還起到傳遞力流的作用。每個節(jié)點應(yīng)至少連接3 根構(gòu)件以保持穩(wěn)定性，并且既要能抵抗不平衡力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，又要能抵抗由于施工安裝誤差在結(jié)構(gòu)體系中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。另外，交匯于節(jié)點的軸力構(gòu)件越多，結(jié)構(gòu)體系的形態(tài)學(xué)可能性就越多。在節(jié)點體系中，美國Unistrut 體系、德國Mero 體系、加拿大Triodetic 體系、美國Temcor 體系、日本NS 體系等應(yīng)用較為廣泛。鋁合金由于其可焊接性能差，在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中主要采用機(jī)械連接形式的節(jié)點，廣泛應(yīng)用的是螺栓球節(jié)點和Temcor 公司的板式節(jié)點，前者主要用于網(wǎng)架和雙層網(wǎng)殼，后者用于單層網(wǎng)殼。另外，日本的螺栓球節(jié)點和嵌入式節(jié)點亦在鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中有部分應(yīng)用。

    4. 1 鋁合金單層網(wǎng)殼節(jié)點

    現(xiàn)有的較為成熟的鋁合金單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)節(jié)點體系為美國Temcor 公司的專利，但未見可參考的國外相關(guān)研究文獻(xiàn)。其節(jié)點形式是在中心處交匯若干工字形截面桿件，于上下翼緣處各設(shè)一塊鋁合金蓋板，每根桿件通過上下翼緣的緊固螺栓與鋁合金蓋板相連接。我國已建成并投入使用的多座鋁合金單層網(wǎng)殼均采用了該節(jié)點體系。

    在板式節(jié)點設(shè)計中，圓盤的直徑、起拱量、螺栓( 孔) 的規(guī)格與數(shù)量及圓盤厚度為關(guān)鍵參數(shù)。其中圓盤直徑需滿足交匯桿件互不干涉的要求，圓盤起拱量取決于相應(yīng)桿件與節(jié)點切平面的夾角。運(yùn)用ANSYS 有限元軟件對板式節(jié)點的桿件、節(jié)點板和螺栓進(jìn)行受力分析得出: 螺栓以剪切破壞為主; 上下節(jié)點板均以正應(yīng)力為主，越靠近邊緣應(yīng)力越小; 桿件一般不會發(fā)生材料的強(qiáng)度破壞。但其使用的分析模型中螺栓數(shù)量較少，導(dǎo)致單個螺栓應(yīng)力較大而成為節(jié)點構(gòu)造的薄弱環(huán)節(jié)。分析了板式節(jié)點在彈性范圍內(nèi)剛度隨桿件截面的高度、寬度、腹板厚度和蓋板厚度及直徑等基本參數(shù)的變化規(guī)律，并通過擬合給出了節(jié)點繞桿件強(qiáng)軸彎曲剛度的計算公式。但其模型并未考慮螺栓連接的接觸問題，僅給出了一種特定特征參數(shù)節(jié)點的剛度公式，適用性不強(qiáng)。為分析鋁合金單層網(wǎng)殼板式節(jié)點的受力狀況和破壞機(jī)理，采用有限元分析軟件ANSYS 對典型節(jié)點進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，節(jié)點板和連接螺栓具有相似的安全度，是板式節(jié)點中強(qiáng)度和剛度最高的部件，而桿件是板式節(jié)點中最薄弱的部分，認(rèn)為板式節(jié)點的破壞機(jī)理首先是桿件破壞、其次是節(jié)點板屈曲、最后是連接螺栓破壞。通過對板式節(jié)點進(jìn)行有限元分析得出，桿件和蓋板均在螺栓孔邊緣處存在著應(yīng)力集中，并從蓋板外邊緣向節(jié)點中心逐步減輕，桿件與蓋板接觸面處應(yīng)力較大，但整體來看桿件與蓋板均有較高的安全性; 通過關(guān)鍵點的位移計算了節(jié)點繞桿件強(qiáng)軸的彎曲剛度，并認(rèn)為該節(jié)點為半剛性節(jié)點。由于其模型中未考慮螺栓，所以不能反映螺栓與桿件及節(jié)點板的相互作用，也未能對螺栓的失效特征進(jìn)行研究。為驗證鋁合金板式節(jié)點的強(qiáng)度和剛度，對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，正常工作狀態(tài)下節(jié)點板和螺栓應(yīng)力均較小，得出了節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線并認(rèn)為節(jié)點剛度滿足剛接假定。

    綜 上所述，可以看出鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)板式節(jié)點的研究尚存在一些不足，其中包括: 1) 試驗研究匱乏，大多數(shù)研究僅局限于數(shù)值模擬，缺乏試驗驗證; 2) 有限元分析模型中均未考慮螺栓的預(yù)緊力，有些模型中僅考慮了節(jié)點耦合并未建立螺栓的實體模型; 3) 大多數(shù)有限元分析模型忽略了面內(nèi)彎矩作用，實際上板式節(jié)點的面內(nèi)抗彎剛度相比于面外抗彎剛度小得多，所以該簡化假定的合理性有待進(jìn)一步研究。對其他形式的鋁合金單層網(wǎng)殼節(jié)點，國內(nèi)外學(xué)者亦進(jìn)行了一些研究。對一種用于箱型截面桿件連接的鋁合金單層網(wǎng)殼鑄鋁__節(jié)點進(jìn)行了試驗研究與數(shù)值分析，結(jié)果表明，該鑄鋁節(jié)點平面外的抗彎剛度明顯高于平面內(nèi)的抗彎剛度，指出最不利截面在螺栓孔削弱處，在設(shè)計中保證強(qiáng)度的前提下應(yīng)適當(dāng)減少螺栓孔數(shù)量，提出了該鑄鋁節(jié)點承載力簡化設(shè)計公式。該節(jié)點鑄鋁部分破壞形式為脆性破壞，雖然文獻(xiàn)中建議在設(shè)計中考慮合適的安全系數(shù)以避免節(jié)點突然失效，但鑄鋁延性較差的特性依然制約了該節(jié)點形式的推廣。為分析鋁合金單層球面網(wǎng)殼嵌入式節(jié)點的剛性，Sugizaki等進(jìn)行了詳細(xì)的試驗研究，包括節(jié)點的拉壓試驗、單個三角形網(wǎng)格單元的受壓與繞強(qiáng)、弱軸受彎試驗，認(rèn)為該節(jié)點為面外剛接、面內(nèi)半剛接。Sugizaki 等使用NASTRAN 軟件對節(jié)點進(jìn)行了有限元分析，考察了節(jié)點區(qū)域桿件變截面部分和嵌槽與桿件接觸部位的應(yīng)力，另外還對節(jié)點剛性進(jìn)行了定量評價。Hiyama 等對鋁合金單層網(wǎng)殼螺栓球節(jié)點進(jìn)行了試驗與數(shù)值模擬，提出了節(jié)點剛度和承載力近似計算公式，結(jié)果表明，薄弱區(qū)域不會出現(xiàn)脆性斷裂，并且節(jié)點剛度和承載力隨連接構(gòu)件截面增大而提高。

    4. 2 鋁合金雙層網(wǎng)殼及網(wǎng)架節(jié)點

    對FAST 工程主動反射面鋁合金雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點進(jìn)行研究，選擇使用高強(qiáng)螺栓連接的嵌入式節(jié)點，進(jìn)行縮尺模型試驗，結(jié)果表明，節(jié)點位移高于理論計算值，原因是鋁合金嵌入式節(jié)點連接剛性較弱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形較大，可通過節(jié)點構(gòu)造來克服這一缺陷，但并未提出具體改進(jìn)方案。

    網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的是螺栓球節(jié)點，在構(gòu)造時首先將置有螺栓的錐頭或封板焊在管件兩端，在伸出錐頭或封板的螺桿上套長形六角套筒，以銷子或緊固螺釘將螺栓與套筒連接在一起。拼裝時直接擰動長形六角套筒，通過銷釘或緊固螺釘帶動螺栓轉(zhuǎn)動，從而使螺栓旋入球體直至螺栓頭與封板或錐頭貼緊為止，各匯交桿件均按此方式連接后即形成節(jié)點。螺栓球球體在直徑滿足空間幾何關(guān)系后強(qiáng)度一般能滿足要求不會被拉斷，但在加工時應(yīng)保證螺孔的強(qiáng)度避免過早破壞。應(yīng)注意鋁合金螺栓球節(jié)點的螺栓應(yīng)進(jìn)行鍍鋅處理或采用不銹鋼螺栓以防止接觸腐蝕。

    對鋁合金螺栓球節(jié)點承載力進(jìn)行了試驗研究，包括鋁螺栓球內(nèi)螺紋受拉承載力、鋁螺栓受拉承載力、鋁封板的受拉承載力、鋁封板與鋁管的焊縫承載力等。對鋁合金螺栓球節(jié)點進(jìn)行了內(nèi)螺紋試驗和桿件的拉壓試驗。通過試驗得到了節(jié)點及構(gòu)件承載力的各項參數(shù)，為鋁合金網(wǎng)架的設(shè)計提供參考，并且還編制了SFCAD 鋁合金螺栓球節(jié)點網(wǎng)架設(shè)計專用程序。對上海植物園鋁合金網(wǎng)架的螺栓與焊接混合連接式的3 種類型節(jié)點進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，各節(jié)點承載力均由受拉斜腹桿焊縫強(qiáng)度控制。通過實測部分斜腹桿螺栓連接處的相對滑移與軸力的關(guān)系曲線并與理論分析結(jié)果對比，認(rèn)為螺栓相對滑移使節(jié)點連接處滑移較大的腹桿內(nèi)力減小。

    上述對鋁合金螺栓球節(jié)點的試驗研究均局限于受力性能方面，未考慮節(jié)點剛性及其對結(jié)構(gòu)整體性能的影響，也沒有建立節(jié)點精細(xì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。