结构材料 结构材料系列—铝合金

亨利·杜利动物园沙漠穹顶(美国加利福尼亚州，2002)

铝是地球上最丰富的金属元素，占地壳总量的7.5%。但由于炼铝困难，一度极其稀有，价值比黄金还高。100多年前，英国皇家学会制作了一个比黄金还贵重的铝杯，赠送给俄罗斯化学家门捷列夫(制作第一个元素周期表)，以表彰他在化学领域的杰出贡献。

直到1886年，美国的查尔斯·马丁·霍尔和法国都独立发明了电解铝的冶炼技术。这种方法投产后，金属铝产量迅速增加，价格大幅下降。从此进入了普通人的日常生活。

铝在建筑行业已经使用了100多年，最早被用作建筑装饰材料，如门窗框、玻璃幕墙框、建筑物外的铝板、建筑物的垂直吊笼屋顶。20世纪30年代，铝合金被用于建筑物的承重和维修结构；如今，铝合金已成为除钢之外最大的建筑金属材料，每年世界铝产量的27%左右用于建筑；目前，铝合金被广泛用作承重结构材料，如桥梁、仓库、空结构等。

1951年，英国建造了世界上第一个铝合金穹顶“发现穹顶”，直径111米，高27米，是当时世界上最大的穹顶。

探索穹顶(1951年，英国伦敦)

探索穹顶的建造

纯铝延展性好但强度低，所以一般只用于常温下的低应力结构。为了提高纯铝的性能，人们通过在纯铝中加入各种金属元素来制造各种铝合金，结构铝合金通常是铝、镁和硅的合金。

铝合金设计树

铝合金可分为锻铝和铸铝。前者是对未熔化的铝坯进行热加工或冷加工，后者是将熔化的铝液倒入模具中，然后铸造。结构常用的铝合金是锻铝。锻造铝合金的牌号通常用四位数字表示，命名规则由美国铝协会(AA)于1954年提出。不同品牌的锻造铝合金由于化学成分(铝及其他添加元素)的不同，其强度、延展性、耐腐蚀性等特性也不同。

其中6xxx系列含有镁和硅元素，具有类似Q235钢的良好的耐腐蚀性和强度，易于挤压。建筑结构中使用的铝合金型材大多属于这一系列，如铝合金建筑结构中广泛使用的6061-T6铝合金。

建筑用锻造铝合金型材

铝合金与钢的力学性能比较

两者都是金属材料，铝合金和我们熟悉的钢有相似的性能。所以小一比较了铝合金和钢的力学性能，让大家有一个直观的认识。

钢结构设计大家都很熟悉。下面小我通过铝结构与钢结构的对比，简单介绍一下铝合金结构设计的特点。

密度低的

铝的密度约为钢的三分之一，这无疑是大自重建筑结构设计的一大优势。所以铝合金结构通常给人一种外观轻盈的感觉。

低弹性模量

铝合金的弹性模量只有钢的三分之一，所以比钢结构更容易发生屈曲，规范中的稳定系数也比钢结构低很多(想想我们常见的易拉罐)。所以变形和稳定性是铝合金中比较常见的问题，大变形抵消了它轻材料的优势。

焊接性差

在钢结构的焊接设计中，焊缝可以和构件一样坚固，而铝合金焊接会大大降低材料的强度和延性，所以铝合金的连接往往采用机械连接。在实际设计中，习惯钢结构设计的工程师很难适应。比如要把连接板连接到构件上，就需要开螺栓孔，这样会削弱构件的强度。这时，工程师的心就会崩溃。

挤压成型

铝合金很软，所以铝合金通常是挤压成型的，不同于传统钢结构中的轧制和焊接。上帝总是在关上一扇门时打开一扇窗。独特的挤压工艺可以生产出各种复杂截面的部件，我们需要的各种连接件都可以通过挤压与主体结构融为一体。同时，铝合金构件和接头可以批量预制，然后组装。这种生产模式非常适合我们现在提倡的工厂化装配结构，对于大量重复特征杆件和接头的大型铝合金空中间结构有很好的适用性。

耐蚀

铝合金也有很大的优势。铝合金本身可以在空气体中形成致密的氧化膜，所以铝合金一般不需要特殊的防腐处理。与钢结构相比，节省了涂装成本，降低了后期维护成本。因此，铝合金常用于游泳池、石化等腐蚀性要求高的建筑。

默里体育中心(美国纽约，1973年)

雷诺兹森林鸟舍

线性膨胀系数大

铝合金的线膨胀系数约为钢结构的两倍，由于铝合金弹性模量低、强度低的特点，在设计上温度效应会比钢结构更突出。对于超长铝合金结构，温度效应很可能成为主要载荷条件。

卡拉·布克林(美国，2015)

回收率高

同时，铝合金材料易于回收，再加工成本低，回收率高，回收价值高，属于节能环保绿色材料。实际生产中的废料可以以相对较高的价格回收，降低了铝合金结构的损耗成本。

由于铝合金具有重量轻、外形美观、耐久性好、易维护、易加工等一系列优点，在建筑工程中得到了广泛的应用。铝合金桥梁、铝合金穹顶等结构也成为近年来结构设计的重点。下面我列举一些国内外有代表性的铝合金案例，供大家分享交流。

铝合金桥

铝合金桥梁在桥梁工程中的应用已有70多年的历史。1946年，世界上第一座全铝桥在美国纽约马塞纳附近建成。1950年，加拿大魁北克省亚尔丽塔市建成铝合金桥面拱桥，主跨88.6米，矢高14.5米，矢跨比约1/6，全长153米，桥面宽10.36米，拱圈、上柱、桥面均采用2014-T6铝合金，自重约150吨，比原规划的钢拱桥轻56%。到目前为止，该桥保持了世界铝合金桥梁的跨度记录，并仍在使用中。

阿尔维达大桥(1950年，加拿大魁北克)

与普通钢桥相比，铝合金桥具有重量轻、耐腐蚀性低、回收成本低的优点，可以节省运输、吊装、防腐、维护等费用。同时，材料强度与材料密度之比高，可以利用较小的重量增加获得较大的承载力，有效增强桥梁承受活载的能力，这对现有桥梁加固非常有利。

然而，由于铝合金的弹性模量较小，刚度问题将成为设计中的一个突出问题，限制了其在大跨度重载桥梁中的应用。同时，铝合金较软，容易产生划痕，在反复载荷下，划痕范围内容易发生疲劳损伤。

铝合金之间的结构空

从国内外铝合金的结构案例空可以看出，铝合金主要用于有压应力的球壳结构，肖我认为主要是由于铝合金接头的特殊结构。因为焊接会大大降低铝合金的强度，所以铝合金常用的连接方式是圆盘连接。即使用螺栓将上下弧形盘盖板与杆件的上下法兰连接，但腹板不连接。

铝合金圆盘连接节点

这种连接方式注定了接头不能像构件那样牢固，接头的抗剪性能较弱。所以不适合以弯曲为主的梁结构，以及以拉应力为主，对接头要求较高的受拉结构。而球壳结构以压应力为主，构件的设计是稳定控制，所以对接头的要求较低。所以铝合金结构特别适合以受压为主的球壳结构。

夏威夷乡村酒店凯泽圆顶

史基浦机场aviodrome博物馆

华特迪士尼世界奥兰多的地球号宇宙飞船(直径50米，美国佛罗里达州，1982年)

上海马戏城(直径50.6米上海1999)

一般结构，二级结构(檩条)需要在主体结构和维修结构之间进行中间转换。由于铝合金结构是挤压成型的，所以维修结构可以直接与主体结构互锁。简化结构层，减少施工环节，降低材料消耗，提高施工速度。比如亨利杜利动物园沙漠穹顶就是铝合金外膜结构，就是主体材料挤压时，连接卡口的膜结构整体挤压。

铝合金一体化连接结构

亨利·杜利动物园沙漠穹顶

近年来，随着计算技术的快速发展和铝合金加工安装技术的日益成熟，铝合金结构在国内外越来越多的新的大型工程中得到应用。比如新建的英航i360就是铝合金和玻璃结构的结合体，外观极其通透轻盈。

英国航空i360(162米高，英国2016)

牛首山佛顶宫主体采用铝合金制成，用异形铝板装饰。铝穹顶尺寸为147mx98m。大穹顶建筑长251米，构件最大高度550 mm，为单层铝合金网壳，跨度创造了世界上第一个铝合金结构。

牛首山佛顶宫(南京2016)

经过半个世纪的发展，铝合金结构在计算理论和工程应用上都日趋成熟。同时，随着铝合金材料价格的逐年下降，其综合经济优势日益明显。通过今天的粗略介绍，希望在以后的设计中，如果遇到合适的建筑，可以在脑海中闪现铝合金结构的选项。

由于铝合金结构是新材料，小我也是边学边总结。如果有什么有趣的地方或者不足之处，欢迎在文末留言。

参考文献:

1.铝结构(规范和设计指南)

J.伦道夫·基塞尔，罗伯特·费里。

2.铝合金空网格结构的研究现状及关键问题。杨等。

3.铝合金结构的连接分析及其设计方法。张桂香等人。

4.铝合金结构研究现状简介。沈祖言，郭晓农等。

5.建筑结构——铝合金结构在大跨度建筑领域的应用。

6.https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_alloy.

7.https://en.wikipedia.org/wiki/Dome_of_Discovery.

8.谷歌图片，百度图片完成相应的图片收藏

本文图片均来自网络，版权归原作者或网站所有

转载此文，请注明易结构化微信公众号来源

设立结构公共账户的初衷是为了分享结构工程领域的知识、优秀的设计和一些不成熟的思想，从而向更多的人展示结构设计有趣的一面。