铝合金结构应用与设计要点分析

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2019年第12期

铝合金结构应用与设计要点分析

贺 青1，王 栩2

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南󰀃昆明󰀃650031；2.昆明理工大学城市学院，云南󰀃

昆明󰀃650051）

摘 要：文章介绍了国内外铝合金结构在工程领域的应用情况,结合铝合金材料的物理力学特性，对比钢结构简要分析了铝合金结构的设计要点，为铝合金结构的设计和推广应用提供参考。关键词：铝合金结构；工程应用；材料特性；设计要点中图分类号：U271󰀃󰀃󰀃󰀃󰀃文献标志码：A󰀃铝是地壳储量最大的金属，在建筑工程中是仅次于钢材用量金属材料。铝合金具有轻质高强、防腐蚀、耐久性好、可循环再生的特点，属于绿色环保材料。铝合金结构具有重量轻、易维护、施工方便等优点，满足现代建筑艺术造型的需要，适用于大跨度空间建筑，在发达国家大量应用于建筑和市政工程领域。在我国铝合金结构是一种新兴的建筑结构技术，还处于起步发展阶段。我国是全球最大的铝材生产国和消费国，具备发展铝合金结构的基础条件，应用前景广阔。

1 铝合金结构的工程应用

早在20世纪40年代，欧美国家已将铝合金结构用于市政桥梁和建筑工程中。随着铝生产工艺的进步和铝合金加工水平的提高，铝的成本大幅降低，工程造价也随之降低，使得铝合金结构在工程领域的应用日趋广泛，逐渐成为建筑工程领域的研究热点。1.1 在建筑工程领域

铝合金结构大量应用于展览馆、体育馆、飞机库、厂房仓库、塔架等现代公共建筑和构筑物中，工程应用趋向于集成化和产业化。1951年英国建成的Dome of Discovery项目，如图1所示，采用直径111m、高度27m的铝合金网壳，是世界上第一座铝合金大空间建筑；1954年建成了Festival South Bank Exhibition项目，如图2所示，采用跨度为111.3m的铝合金球面网壳结构。荷兰建成的Nieuwe-gein办公楼大厅，采用铝合金网架覆盖面积达4500m2。

图1 英国伦敦Dome of Discovery图2 牛首山遗址公园佛顶宫

我国自20世纪90年代开始在建筑工程中应用铝合金结构。1996年建成的天津平津战役纪念馆是我国第一座铝合金建筑，采用直径45.5m、矢高33.83m的铝合金球面网壳。此后，铝合金结构的上海国际体操中心、上海浦东游泳馆、上海马戏城、上海科技馆、上海植物园展览温室、湖南长沙招商服务中心和南京牛首山遗址公园佛顶宫等建筑工程陆续建成。其中，上

作者简介：贺青（1965—），男，高级工程师，研究方向：建筑工程设计。

󰀃󰀃文章编号：2096-2789（2019）12-0108-02

海浦东游泳馆采用双层圆柱面正放四角锥网壳，平面尺寸58.0m×72.0m，网壳厚2.4m，曲率半径100m，重量为92.63t。牛首山佛顶宫的铝合金单层球面网壳跨度251m，半悬挑网壳跨度116m，构件断面高度达550mm，结构跨度为世界第一。

此外，铝合金在建筑装修工程中作为装饰材料如内外墙面、屋面、吊顶、幕墙和建筑施工中作为施工设施如脚手架、模板等都有广泛的应用。1.2 在市政工程领域

铝合金结构大量应用在桥梁、塔架、公交站台等市政工程及设施中，出现了铝—钢结合、铝—木结合的应用趋势。1933年美国首次在史密斯菲尔德街人行天桥中使用铝合金材料。1950年加拿大魁北克在塞右奈河上建成Arvida Bridge拱桥，全长153m，主跨88.6m，矢高14.5m，桥面宽10.36m，自重约150t，至今仍在使用之中。1970年英国建成成跨径达180m的铝合金悬索桥。

我国第一座铝合金天桥是2006年建成的杭州庆春路人行天桥。2008年建成的北京西单人行天桥，是目前国内也是世界上最大的铝合金桁架结构天桥，天桥主桥长80m、宽8m，副桥长32m、宽8m。

2 铝合金材料的性能特点

金属建筑材料都具有材质均匀、强度质量比高，可回收再生、可工业化生产、装配化施工等共性的特点。与钢材相比，结构用铝合金材料的延性、可塑性、耐腐蚀性和抗低温性更好，但耐火性较差、构件强度偏低刚度偏小、价格偏高等独有的特性，这决定了铝合金结构的选型，但设计应用与钢结构存在着较大的差异。2.1 铝合金的生产工艺

钢材和铝合金的生产工艺差别较大，简而言之，钢材是以生铁为主要原料，加入其他不同组分的原料及合金材料经过冶炼、铸造、轧制加工，最终得到各种牌号的钢材。铝材是以氧化铝为主要原料经过电解、铸造得到铝锭，再以铝锭为原料，加入不同的合金材料经过熔炼、铸造、挤压加工、时效处理，最终加工出各种牌号的铝合金型材。

生产工艺的不同导致了钢材与铝合金型材的市场供应及工程应用、设计方法均有较大的不同。钢材是按国家标准轧制成各种不同规格的型材、板材或线材，工程应用按需采购即可。铝材的特点是采用压力机挤压成型，能生产出任意截面的型材，实现型材优化，工程用材需根据要求开模、挤压加工。

铝合金分为锻铝和铸铝两类。锻造铝合金又分为热

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处理合金和非热处理合金，分别通过热处理和冷加工提高强度，冷加工是指对板材轧制或对型材进行拉伸。合金经冷加工后会引起材料硬化、强度提高、延性降低，需进行退火处理以提高其延性；材料的后期处理对铝合金的性能影响很大，选用时需特别注明。2.2 铝合金的材料分类铝合金的牌号用4位数字或字符表示，除了1系列为工业纯铝外，其他牌号系列的均为合金铝。铝合金材料的表示方法如表l所示。铝合金承重结构应采用锻造铝合金，型材宜采用5系列和6系列，板材宜采用3系列和5系列。证。铝合金结构要求根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、受力状态、连接方式等条件，选用合适的铝合金牌号，对于材料性能方面尚未要求，凡铝合金材料标准中能保证的项目可不要求提供。

3 铝合金建筑结构的适用条件

根据我国目前的生产加工和技术水平，《铝合金结构设计规范》对其设计应用做出了以下规定。3.1 环境温度

铝合金材料在低温条件下强度和延性会有所提高，表1 铝合金牌号、性能及用途铝合金牌号主要合金元素性能说明与应用主要用途1xxx纯铝强度低、延性好、耐腐蚀

器皿、容器、建筑用

性好镶板2xxx铜强度高、可焊性差、耐腐

蚀性差广泛应用于航空工业3xxx锰强度中等、耐腐蚀性好

器皿、易拉罐、建筑墙

体和屋面4xxx硅中等强度

钎焊材料、建筑应用

较少

5xxx镁强度较高、延性好、可焊焊接结构、压力容器、性好、耐腐蚀性好建筑板材6xxx

镁、硅强度较高、耐腐蚀性良好工业、建筑挤压型材锌（含铜）

强度高、可焊性差、耐腐

7xxx

蚀性差航空工业、体育用品

锌（不含铜）

强度较高、可焊性良好、

耐腐蚀性好焊接结构8xxx

其他元素

超轻合金、中等强度

轻量化航空、航天材料

2.3 铝合金的材料特性

铝合金相较于钢材的物理性能存在着较大的差异。铝合金的密度约为钢材的1/3，弹性模量约为钢材的1/3，热膨胀系数约为钢材的2倍，熔点为钢材的43%。

铝材与钢材本构关系如表2所示，铝合金材料的应力应变曲线没有明显的屈服阶段，可分为弹性阶段、非弹性阶段和应变硬化阶段。在结构计算中，将残余应变为0.2%所对应的应力等同于铝材的屈服应力，称为名义屈服强度。不同牌号铝材的名义屈服强度值差异较大，结构工程领域常用的6061-T6铝合金名义屈服强度与Q235钢相当，能满足一般工程结构对构件强度的要求。

表2 钢材和铝材主要物理力学指标及本构关系比较

材料种类铝合金（6061－T6）

钢（Q235B）

密度（kg/m3）

2700

7600

本构关系

弹性模量（MPa）69000～75000

205000设计强度（MPa）200215延性（%）10～2525～30耐腐蚀性好不好焊接热影响区材料强度

降低

不变

2.4 铝合金材料设计要求

在钢结构设计中，钢材需要有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量等力学性能及化学成分的合格保

但耐高温性能较差，150℃以上会很快丧失强度。铝合金结构不适用于高温环境，正常使用环境温度应低于100℃，结构的表面长期受80℃以上的辐射温度时，应采取隔热防护措施。3.2 使用环境

铝合金构件强度偏低、刚度偏小，不适用于直接受疲劳动力荷载以及有强烈振动源的工程。3.3 防腐蚀

铝合金材料直接与钢材接触会发生电化学反应产生腐蚀。规定除不锈钢以外，铝合金材料与的其他金属材料或酸碱性非金属材料接触、连接时，应采用隔离材料以阻断其直接接触。

4 铝合金结构设计要点

4.1 铝合金的结构体系

目前，工程实用的铝合金的结构体系，主要有网架结构、桁架结构、刚架结构和拱架结构体系。空间网架主要有单层球面网壳、双层网壳和螺栓球节点网架三种类型，其中，网壳杆件主要采用圆管截面和H型截面，杆件之间多采用螺栓连接，连接节点主要采用螺栓球节点、圆盘盖板节点和螺栓连接节点。4.2 焊接热影响区

焊接热影响区是指焊接金属构件时受到高温影响的区域，不同于钢材受焊接热影响较小，铝材对焊接热影响敏感，其焊接区内材料强度衰减严重、力学性能退化，设计时必须考虑焊接热影响效应。由于铝合金结构受热效应影响较大，构件连接应首选螺栓连接。4.3 构件的有效截面

铝材的弹性模量较小，为了保证构件的局部稳定，充分发挥材料性能，铝合金设计应利用材料屈曲后强度，采用有效厚度法，对构件截面换算成有效截面的方法，进行强度和稳定验算。

5 结束语

铝合金结构的工程应用只有70多年历史，在我国还属于一种新兴的工程结构类型，本文结合工程实践案例,针对铝合金自身的材料特性，简要分析了铝合金结构的设计要点，供铝合金的工程设计和应用参考。

参考文献：

[1]GB 50429-2007,铝合金结构设计规范[S].

[2]沈祖炎,郭小农,李元齐.铝合金结构研究现状简述[J].

建筑结构学报,2007,28(6):100-109.[3]张其林,季俊,杨联萍,等.《铝合金结构设计规范》的若

干重要概念和研究依据[J].建筑结构学报,2009(5):1-12.