铝合金结构环槽铆钉连接及梁柱节点受力机理与设计方法

随着我国国民经济的发展和工程建设水平的提升，人们对轻质高强且绿色、耐久的建筑结构产生了越来越强烈的需求。铝合金作为一种比强度高、耐腐蚀性能优良、易于挤压成型且外形美观的金属材料，非常符合使用者和设计者的这一期待，且已广泛应用于大跨空间结构、桥梁、偏远地区的结构以及可移动结构中。由于铝合金轻质便携且易于快速拼装，若将此类结构应用于防疫、救灾乃至国防领域，其独特的优势将得以发挥。中国香港特区政府在新冠疫情期间就为隔离迅速增加的感染者修建了铝合金隔离设施。截至目前，世界铝合金产量的25%被用于建筑结构，且这一比例还在提高。由于冶炼技术的改进，电解铝的能耗自1995年至今已降低了75%； 同时，结构用铝能实现100%可回收，所以铝合金也被称为“绿色金属”。因此，大力发展铝合金结构十分契合“十四五”规划纲要中对绿色建筑的发展倡议。
铝合金虽有诸多优势，但其可焊性差，在钢结构中普遍使用的焊接工艺很难应用于铝合金结构，从而导致其连接和节点的构造形式，以及力学性能面临挑战。若不能很好地解决这一问题，铝合金框架、门式刚架和桥梁等结构的发展将被大大限制。王中兴博士正是聚焦于该问题，在本书中提出了以新型紧固件不锈钢环槽铆钉作为连接铝合金构件的元件，解决了铝合金结构板件和构件有效连接的问题。考虑到铝合金结构环槽铆钉连接的特殊性，本书还提出了一系列有针对性、有创造性的新构造与新节点形式，并且被我国新版《铝合金结构技术标准》采纳。然而，新的结构形式必定伴随着新的工作机理和新的结构力学性能，王中兴博士通过试验、数值与理论分析相结合的手段，在本书中系统性地揭示了新型紧固件不锈钢环槽铆钉、铝合金结构环槽铆钉受剪和T形连接以及环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点的受力机理，并以此为基础提出了相应的设计方法。
本书提出的环槽铆钉简化数值模型及推导方法、环槽铆钉受剪和T形连接设计理论以及环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点设计方法在原理和理论上具有创新性，同时也为实际工程和我国多本标准性文件提供了重要的参考和理论依据。本书获得了2020年清华大学优秀博士学位论文奖励，而且作者本人也被授予了当年的优秀博士毕业生称号。王中兴博士所取得的成果还在Journal of Structural Engineering, ASCE及Engineering Structures等结构工程权威期刊上发表，得到了学术同行的高度认可。
本书所述问题属于铝合金结构领域的前沿，并且与工程实际紧密联系，内容系统性强，逻辑连贯、步步深入，希望为从事铝合金乃至金属结构的学术与工业界同行提供有价值的参考，带来启发！
王元清

清华大学土木工程系教授

2021年7月20日

铝合金结构比强度高、耐腐蚀性能优良，近年来在建筑结构中发展迅速且前景广阔。铝合金目前主要应用于大跨空间和桥梁结构，但由于缺乏合理可靠的梁柱连接形式及其相关研究，在框架结构中的应用还十分有限。建筑结构常用的铝合金材料可焊性差，所以紧固件连接自然成为铝合金结构的**选择。《铝合金结构环槽铆钉连接及梁柱节点受力机理与设计方法》结合力学性能优异的新型紧固件环槽铆钉，提出了可有效连接铝合金结构构件的节点形式，并紧密围绕铝合金结构环槽铆钉连接与梁柱节点开展了系统性的深入研究；全书研究对象包含紧固件→连接件→节点三个层次，步步深入地利用试验、数值及理论分析等手段开展了以下主要工作： （1）通过试验研究获取了环槽铆钉的预紧力数值及其损失情况，并开展了44个铆钉在不同受力状态下承载能力测试。建立了环槽铆钉精细化有限元模型和计算效率更高的简化模型，并从数值结果中提取铆钉拉脱过程的特征信息从而对拉脱机理进行揭示，进而推导了拉脱力公式。提出了环槽铆钉承载力设计方法并通过试验与数值结果验证了其准确性。 （2）开展了23个受剪连接拉伸试验，其中包括3种环槽铆钉布置形式，并考虑了铝合金牌号，铆钉端距、边距和中距对试件受力性能的影响。试验中还测试了4种牌号铝合金板件的材料力学性能和抗滑移系数。以试验为基础，验证了所建立的有限元模型并开发自动计算程序、开展了930个参数分析。在厘清受力机理后，提出了受剪连接设计方法。 （3）开展了30个环槽铆钉T型连接受拉试验，并基于试验进行了系统性的有限元分析与受力机理研究。在理论和有限元参数分析的支撑下，提出了基于连续强度方法（CSM）考虑铝合金材料非线性特性及考虑铆钉受弯的T型连接设计方法，将设计结果与312个数据点进行对比，验证了其合理性。 （4）提出了两种环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点形式并开展了10个足尺节点的单调加载试验和4个循环加载试验，对节点的承载性能及破坏模式、延性与耗能能力深入分析。建立并验证了相应的有限元模型。 （5）以上述研究为基础并结合组件法，提出了适用于此类节点的设计方法，包括：初始刚度、承载能力、弯矩-转角全曲线、构造建议及滞回模型。所提出的方法将为我国设计使用环槽铆钉连接的铝合金梁柱节点提供依据。

王中兴，天津大学副研究员，兼任中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会青年理事。2014年本科毕业于大连理工大学建设工程学部，同年进入清华大学土木工程系攻读研究生，2020年获清华大学工学博士学位，期间曾于英国帝国理工学院进行为期一年学术访问。曾担任清华大学土木工程及建设管理系研究生会主席。王中兴主要研究领域为：(1) 铝合金结构构件的稳定性能、(2) 铝合金结构连接及节点的受力性能、(3) 金属结构抗火及抗震性能、(4) 金属结构3D打印等。主持国家自然科学基金1项、国家及省部级重点实验室开放课题与工程咨询项目5项，作为项目骨干参与国家与省部级课题4项、欧盟煤炭和钢铁研究基金项目(RFCS)1项。以或通讯作者身份发表SCI论文10余篇，已授权国家发明专利5项、软件著作权1项。参编国家及行业标准4部。曾获清华大学研究生特等奖学金、清华大学土木工程系学术新秀、清华大学优秀博士学位论文、清华大学优秀博士毕业生、中国土木工程学会优秀毕业生等荣誉。

《铝合金结构环槽铆钉连接及梁柱节点受力机理与设计方法》结合力学性能优异的新型紧固件“环槽铆钉”，提出了可有效连接铝合金结构构件的节点形式，并以此聚焦，开战了试验、数值与理论相结合的系统性深入研究，希望为广大学者与工程师提供有益参考。