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結(jié)構(gòu)材料 結(jié)構(gòu)材料系列—鋁合金

亨利·杜利動物園沙漠穹頂(美國加利福尼亞州,2002)

鋁是地球上最豐富的金屬元素,占地殼總量的7.5%。但由于煉鋁困難,一度極其稀有,價值比黃金還高。100多年前,英國皇家學(xué)會制作了一個比黃金還貴重的鋁杯,贈送給俄羅斯化學(xué)家門捷列夫(制作第一個元素周期表),以表彰他在化學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。

直到1886年,美國的查爾斯·馬丁·霍爾和法國都獨(dú)立發(fā)明了電解鋁的冶煉技術(shù)。這種方法投產(chǎn)后,金屬鋁產(chǎn)量迅速增加,價格大幅下降。從此進(jìn)入了普通人的日常生活。

鋁在建筑行業(yè)已經(jīng)使用了100多年,最早被用作建筑裝飾材料,如門窗框、玻璃幕墻框、建筑物外的鋁板、建筑物的垂直吊籠屋頂。20世紀(jì)30年代,鋁合金被用于建筑物的承重和維修結(jié)構(gòu);如今,鋁合金已成為除鋼之外最大的建筑金屬材料,每年世界鋁產(chǎn)量的27%左右用于建筑;目前,鋁合金被廣泛用作承重結(jié)構(gòu)材料,如橋梁、倉庫、空結(jié)構(gòu)等。

1951年,英國建造了世界上第一個鋁合金穹頂“發(fā)現(xiàn)穹頂”,直徑111米,高27米,是當(dāng)時世界上最大的穹頂。

探索穹頂(1951年,英國倫敦)

探索穹頂?shù)慕ㄔ?/p>

純鋁延展性好但強(qiáng)度低,所以一般只用于常溫下的低應(yīng)力結(jié)構(gòu)。為了提高純鋁的性能,人們通過在純鋁中加入各種金屬元素來制造各種鋁合金,結(jié)構(gòu)鋁合金通常是鋁、鎂和硅的合金。

鋁合金設(shè)計(jì)樹

鋁合金可分為鍛鋁和鑄鋁。前者是對未熔化的鋁坯進(jìn)行熱加工或冷加工,后者是將熔化的鋁液倒入模具中,然后鑄造。結(jié)構(gòu)常用的鋁合金是鍛鋁。鍛造鋁合金的牌號通常用四位數(shù)字表示,命名規(guī)則由美國鋁協(xié)會(AA)于1954年提出。不同品牌的鍛造鋁合金由于化學(xué)成分(鋁及其他添加元素)的不同,其強(qiáng)度、延展性、耐腐蝕性等特性也不同。

其中6xxx系列含有鎂和硅元素,具有類似Q235鋼的良好的耐腐蝕性和強(qiáng)度,易于擠壓。建筑結(jié)構(gòu)中使用的鋁合金型材大多屬于這一系列,如鋁合金建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用的6061-T6鋁合金。

建筑用鍛造鋁合金型材

鋁合金與鋼的力學(xué)性能比較

兩者都是金屬材料,鋁合金和我們熟悉的鋼有相似的性能。所以小一比較了鋁合金和鋼的力學(xué)性能,讓大家有一個直觀的認(rèn)識。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大家都很熟悉。下面小我通過鋁結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的對比,簡單介紹一下鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

密度低的

鋁的密度約為鋼的三分之一,這無疑是大自重建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢。所以鋁合金結(jié)構(gòu)通常給人一種外觀輕盈的感覺。

低彈性模量

鋁合金的彈性模量只有鋼的三分之一,所以比鋼結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生屈曲,規(guī)范中的穩(wěn)定系數(shù)也比鋼結(jié)構(gòu)低很多(想想我們常見的易拉罐)。所以變形和穩(wěn)定性是鋁合金中比較常見的問題,大變形抵消了它輕材料的優(yōu)勢。

焊接性差

在鋼結(jié)構(gòu)的焊接設(shè)計(jì)中,焊縫可以和構(gòu)件一樣堅(jiān)固,而鋁合金焊接會大大降低材料的強(qiáng)度和延性,所以鋁合金的連接往往采用機(jī)械連接。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,習(xí)慣鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師很難適應(yīng)。比如要把連接板連接到構(gòu)件上,就需要開螺栓孔,這樣會削弱構(gòu)件的強(qiáng)度。這時,工程師的心就會崩潰。

擠壓成型

鋁合金很軟,所以鋁合金通常是擠壓成型的,不同于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中的軋制和焊接。上帝總是在關(guān)上一扇門時打開一扇窗。獨(dú)特的擠壓工藝可以生產(chǎn)出各種復(fù)雜截面的部件,我們需要的各種連接件都可以通過擠壓與主體結(jié)構(gòu)融為一體。同時,鋁合金構(gòu)件和接頭可以批量預(yù)制,然后組裝。這種生產(chǎn)模式非常適合我們現(xiàn)在提倡的工廠化裝配結(jié)構(gòu),對于大量重復(fù)特征桿件和接頭的大型鋁合金空中間結(jié)構(gòu)有很好的適用性。

耐蝕

鋁合金也有很大的優(yōu)勢。鋁合金本身可以在空氣體中形成致密的氧化膜,所以鋁合金一般不需要特殊的防腐處理。與鋼結(jié)構(gòu)相比,節(jié)省了涂裝成本,降低了后期維護(hù)成本。因此,鋁合金常用于游泳池、石化等腐蝕性要求高的建筑。

默里體育中心(美國紐約,1973年)

雷諾茲森林鳥舍

線性膨脹系數(shù)大

鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼結(jié)構(gòu)的兩倍,由于鋁合金彈性模量低、強(qiáng)度低的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)上溫度效應(yīng)會比鋼結(jié)構(gòu)更突出。對于超長鋁合金結(jié)構(gòu),溫度效應(yīng)很可能成為主要載荷條件。

卡拉·布克林(美國,2015)

回收率高

同時,鋁合金材料易于回收,再加工成本低,回收率高,回收價值高,屬于節(jié)能環(huán)保綠色材料。實(shí)際生產(chǎn)中的廢料可以以相對較高的價格回收,降低了鋁合金結(jié)構(gòu)的損耗成本。

由于鋁合金具有重量輕、外形美觀、耐久性好、易維護(hù)、易加工等一系列優(yōu)點(diǎn),在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金橋梁、鋁合金穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)也成為近年來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。下面我列舉一些國內(nèi)外有代表性的鋁合金案例,供大家分享交流。

鋁合金橋

鋁合金橋梁在橋梁工程中的應(yīng)用已有70多年的歷史。1946年,世界上第一座全鋁橋在美國紐約馬塞納附近建成。1950年,加拿大魁北克省亞爾麗塔市建成鋁合金橋面拱橋,主跨88.6米,矢高14.5米,矢跨比約1/6,全長153米,橋面寬10.36米,拱圈、上柱、橋面均采用2014-T6鋁合金,自重約150噸,比原規(guī)劃的鋼拱橋輕56%。到目前為止,該橋保持了世界鋁合金橋梁的跨度記錄,并仍在使用中。

阿爾維達(dá)大橋(1950年,加拿大魁北克)

與普通鋼橋相比,鋁合金橋具有重量輕、耐腐蝕性低、回收成本低的優(yōu)點(diǎn),可以節(jié)省運(yùn)輸、吊裝、防腐、維護(hù)等費(fèi)用。同時,材料強(qiáng)度與材料密度之比高,可以利用較小的重量增加獲得較大的承載力,有效增強(qiáng)橋梁承受活載的能力,這對現(xiàn)有橋梁加固非常有利。

然而,由于鋁合金的彈性模量較小,剛度問題將成為設(shè)計(jì)中的一個突出問題,限制了其在大跨度重載橋梁中的應(yīng)用。同時,鋁合金較軟,容易產(chǎn)生劃痕,在反復(fù)載荷下,劃痕范圍內(nèi)容易發(fā)生疲勞損傷。

鋁合金之間的結(jié)構(gòu)空

從國內(nèi)外鋁合金的結(jié)構(gòu)案例空可以看出,鋁合金主要用于有壓應(yīng)力的球殼結(jié)構(gòu),肖我認(rèn)為主要是由于鋁合金接頭的特殊結(jié)構(gòu)。因?yàn)楹附訒蟠蠼档弯X合金的強(qiáng)度,所以鋁合金常用的連接方式是圓盤連接。即使用螺栓將上下弧形盤蓋板與桿件的上下法蘭連接,但腹板不連接。

鋁合金圓盤連接節(jié)點(diǎn)

這種連接方式注定了接頭不能像構(gòu)件那樣牢固,接頭的抗剪性能較弱。所以不適合以彎曲為主的梁結(jié)構(gòu),以及以拉應(yīng)力為主,對接頭要求較高的受拉結(jié)構(gòu)。而球殼結(jié)構(gòu)以壓應(yīng)力為主,構(gòu)件的設(shè)計(jì)是穩(wěn)定控制,所以對接頭的要求較低。所以鋁合金結(jié)構(gòu)特別適合以受壓為主的球殼結(jié)構(gòu)。

夏威夷鄉(xiāng)村酒店凱澤圓頂

史基浦機(jī)場aviodrome博物館

華特迪士尼世界奧蘭多的地球號宇宙飛船(直徑50米,美國佛羅里達(dá)州,1982年)

上海馬戲城(直徑50.6米上海1999)

一般結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu)(檁條)需要在主體結(jié)構(gòu)和維修結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行中間轉(zhuǎn)換。由于鋁合金結(jié)構(gòu)是擠壓成型的,所以維修結(jié)構(gòu)可以直接與主體結(jié)構(gòu)互鎖。簡化結(jié)構(gòu)層,減少施工環(huán)節(jié),降低材料消耗,提高施工速度。比如亨利杜利動物園沙漠穹頂就是鋁合金外膜結(jié)構(gòu),就是主體材料擠壓時,連接卡口的膜結(jié)構(gòu)整體擠壓。

鋁合金一體化連接結(jié)構(gòu)

亨利·杜利動物園沙漠穹頂

近年來,隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和鋁合金加工安裝技術(shù)的日益成熟,鋁合金結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外越來越多的新的大型工程中得到應(yīng)用。比如新建的英航i360就是鋁合金和玻璃結(jié)構(gòu)的結(jié)合體,外觀極其通透輕盈。

英國航空i360(162米高,英國2016)

牛首山佛頂宮主體采用鋁合金制成,用異形鋁板裝飾。鋁穹頂尺寸為147mx98m。大穹頂建筑長251米,構(gòu)件最大高度550 mm,為單層鋁合金網(wǎng)殼,跨度創(chuàng)造了世界上第一個鋁合金結(jié)構(gòu)。

牛首山佛頂宮(南京2016)

經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展,鋁合金結(jié)構(gòu)在計(jì)算理論和工程應(yīng)用上都日趨成熟。同時,隨著鋁合金材料價格的逐年下降,其綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢日益明顯。通過今天的粗略介紹,希望在以后的設(shè)計(jì)中,如果遇到合適的建筑,可以在腦海中閃現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)的選項(xiàng)。

由于鋁合金結(jié)構(gòu)是新材料,小我也是邊學(xué)邊總結(jié)。如果有什么有趣的地方或者不足之處,歡迎在文末留言。

參考文獻(xiàn):

1.鋁結(jié)構(gòu)(規(guī)范和設(shè)計(jì)指南)

J.倫道夫·基塞爾,羅伯特·費(fèi)里。

2.鋁合金空網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題。楊等。

3.鋁合金結(jié)構(gòu)的連接分析及其設(shè)計(jì)方法。張桂香等人。

4.鋁合金結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀簡介。沈祖言,郭曉農(nóng)等。

5.建筑結(jié)構(gòu)——鋁合金結(jié)構(gòu)在大跨度建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

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

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

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