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痴道人

在上一篇铝合金相关的文章中，我们综述了铝合金结构的发展和应用，并受到不少关注。我国铝合金材料在建筑结构中的应用虽说已经有不少成功案例，但似乎铝合金结构还是鲜为人知，这也是许多新材料从诞生到应用过程中必然遇到的阻力之一。所以从一个结构工程师的视角，我想借这篇文章让大家对铝合金结构有进一步的认识。
如果在读文章的各位是一线设计人员或是从事建筑相关的同事，那你一定有类似的疑问：铝合金材料较钢材有哪些优劣？什么类型的结构中可以用铝合金材料？怎么用？
1 铝合金材料的特点

相对于钢材和混凝土材料，铝合金是一种新型的建筑材料。20世纪90年代以来，随着电解铝工业技术及装备水平的提高，全球原铝产量迅猛增长，我国电解铝工业自改革开放以来也得到了飞速发展，目前已成为全世界最大的电解铝生产国。
铝合金材料是在铝金属中添加其它元素形成的合金材料，因其较小的密度、良好的强度和卓越的耐腐蚀性能，在建筑和结构工程中获得了广泛应用。绝大部分的建筑幕墙型材和大型金属屋面板材均采用铝合金材料，除此之外，铝合金材料在人行桥梁、门式刚架、空间网格结构中也已获得了较多应用。其中，空间网格结构是铝合金材料应用的重要结构类型。而在铝合金网格结构中，板式节点已成为主流节点形式。



▲上海徐家汇人行天桥采用铝合金结构



▲上海G60科创云廊上部单层壳体采用钢铝混合结构

目前，国内外的大跨度铝合金结构均采用Al-Mg-Si系铝合金材料。这种材料主要特点如下：
（1）质量轻、强度高：铝合金材料的密度约为2.4～2.8g/cm3，仅相当于钢材密度的1/3，而抗拉强度可达近300MPa，非常适用于大跨度结构。
特点剖析：质量轻是优势，设计强度远不如钢材，是劣势。



▲6061-T6 VS Q235

（2）耐腐蚀:材料表面不需做特殊处理即可达到建筑防腐要求，终身免维护，因此在游泳馆、温室展览馆、石化行业、煤炭储备堆场、海边环境、杆件外露的建筑等领域中的使用具有明显优势。
特点剖析：耐腐蚀性高是优势，但钢材也可以通过涂装等方法解决防腐问题，小优。
（3）易于挤压成型：铝合金的热挤压工艺可以提供任意断面形状的型材产品，可挤压出承重和围护二合一的杆件，减少次结构的用量、减少施工环节、节约建筑空间。另外，主体结构与围护结构一体化，将使得热胀冷缩引起的差异变形非常小，减少建筑表面的破坏，防水性能优越。
特点剖析：构件的挤压工艺可根据需要灵活设计，是优势；但挤压工艺也造成了铝合金构件断面有上限，是劣势。
（4）工厂高精度预制、现场全装配式施工：铝合金结构的型材、节点板等所有材料均为工厂预制产品，采用数控机床加工，制作精度高，可满足安装要求和建筑效果。结构安装时全部采用装配式安装，施工现场几乎没有任何冷加工和焊接工序，大幅度缩短了工期，一般铝合金结构的施工工期是同规模钢结构施工工期的1/2。
特点剖析：装配式安装，是优势。
（5）弹性模量小：铝合金的弹性模量约为钢材的1/3，因而对于铝合金结构而言，稳定性问题需给予足够关注。
特点剖析：弹性模量较钢材低，容易有稳定问题，是劣势。
（6）热膨胀系数大：铝合金的热胀系数大约是钢材的2倍，对温度作用较为敏感。
特点剖析：铝合金结构的防火问题一直是让人诟病的最大痛点，是劣势。
（7）焊接影响大：焊接后的铝合金材料强度会有一定程度的损失，即使是焊接温度相对较低的摩擦搅拌焊接也很难保证焊接位置的等强连结。
特点剖析：焊接对原材料强度的折减，使得铝合金构件现仍以装配式连结为主，所以对一些复杂造型的结构，铝合金没那么适用，小劣。



▲铝合金板，搅拌摩擦焊

2 铝合金材料的适用范围

由以上几点不难看出，如果与钢材做对比，铝合金材料可以说是喜忧参半，这也就意味着并不是所有钢材适用的结构都可以平替成铝合金，比如材料强度要求高的、结构体系复杂的、对结构防火要求高的等等，任意一条受限都不建议采用铝合金结构。





▲这些造型异形、体系复杂的超大型公共建筑中不适合铝合金结构

哪些结构中可以采用铝合金结构呢？通过对国内已建成的大型公共铝合金建筑案例的特点进行总结不难发现，这些建筑大多是造型简单的单层网壳或球体，或者是对结构强度要求没那么高的短跨人行天桥或门钢。特别是单层网壳是铝合金结构应用的天然土壤，这类结构一是要求轻巧，可发挥铝合金结构质量轻的优势；二是结构外露，可以展现铝合金结构装配式连结的美观性，也可以极大发挥铝合金结构与幕墙一体化的特长；三是结构构件大多以轴向受力为主，对材料的强度要求没那么高。





▲这些中小型单层壳体或球体适用铝合金结构



▲大兴机场的局部采光天窗采用铝合金单层网壳

所以假如我们手上有项目恰好符合以上这些条件，那不妨可以铝合金结构作为一个“可选项”。当然，我们还是要把钢结构设计的底子打牢，连钢结构设计都没搞明白那还是别好高骛远了。另外要说的是，“强扭的瓜不甜”，因为某些原因硬要用铝合金结构那也是十分痛苦的。
3 铝合金结构设计怎么做？

假如我们在设计的项目符合前面说的这些条件，我们想把铝合金结构作为一个对比方案来进行设计，具体要怎么操作呢？
规范：熟读《铝合金结构设计规范》《铝合金空间网格结构技术规程》等等铝合金结构相关规范，了解铝合金结构的设计方法，节点连结计算和构造等，并了解与钢结构设计的不同；
软件：筑信达系列软件中暂只有国外的铝合金结构设计规范，国内的相关规范还未进行整合应用；3D3S软件则有成熟的铝合金结构设计规范套系，可供设计使用，但需要我们注意软件中不同于钢结构的一些参数设置。



▲3D3S软件中集成了铝合金设计规范

当然，专业的事情交给专业的人来做，国内有些企业已经形成专业成熟的铝合金结构设计团队和施工团队，寻求外部协助并互相促进，也不失为一个好办法。