鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

1、鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng) 用現(xiàn)狀及前景日期:鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用及前景蔡飛 李大浪（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司南昌33 0 033）摘要:鋁合金材料所具有的輕質(zhì)、耐腐蝕、易維護(hù)和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，使得鋁合金結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外鋁合金結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于橋梁和大跨民用建筑，我國(guó)目前已具備發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。本文概述了鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建適用范圍和前筑中的應(yīng)用實(shí)例及科技研發(fā)進(jìn)展，說(shuō)明鋁合金結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)、存在的問(wèn)題、景。關(guān)鍵詞:鋁合金結(jié)構(gòu)；工業(yè)建筑；應(yīng)用現(xiàn)狀ST RUCTAPP LICA TIO N STATU S AND PROSPECTS OF ALU

2、 MI N UM A LLO YU RE IN IND USTR IAL CON STRUC TI ONABS TRA CT :Alu m inumstructu r e s h ave the a d v ant a n ges s uc has l i g ht,e tc.D u e to t d th e ir appi u c tion.T h eweig h t, r esi stan ce to c or r osion hes e s adva ntages,mo r e andi cat io ns a r e ge t ting wider in th e fie Id o

3、fb a sicrequir e me n ts of d e ve lop in g t h e a lu mi num a h a ve bee n sat is f ied i n Ch in a .KEY WO RD S : aluminu m alloy structure ; indus tr ia l s t a te1 loy ind u st r ialconstruc t i o nc on s truction;applicatio ne asy e xt r us i on p roces s more atten t ion wa s at tra c t e d a

4、n in dustrial const r1概述鋁合金材料具有密度小、強(qiáng)重比高、耐腐蝕、焊接性能好、維護(hù)費(fèi)用低及可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、橋梁、交通工具等各個(gè)領(lǐng)域，在結(jié)構(gòu)工程中也越來(lái)越引起人們的興趣與重視。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)陸續(xù)興建了不少的鋁合金空間結(jié)構(gòu)和橋梁，如圖一北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋主跨為38.1m'1；圖二上海辰山植物園溫室，三個(gè)單體長(zhǎng)x寬X高分別為2 0 3x3 3 x2 0.5m, 1 28x100 x17m,l 10 X 34x1 4m2打這些工程的建設(shè)完成對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有利的工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)?，F(xiàn)有工業(yè)建筑中主要是采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

5、，如果能積極運(yùn)用和推 廣鋁合金結(jié)構(gòu)，對(duì)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)整體水平、綠色建筑、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等均具有重大意義。i I戒*Q J II-一二J 農(nóng)？ 片 松 產(chǎn)k-TI2鋁合金結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在目前的工業(yè)建筑中，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，而鋁合金結(jié)構(gòu)才剛剛起步，只用于很小的一部分。原因是：一是早些年鋁合金材料的價(jià)格遠(yuǎn)高于鋼結(jié)構(gòu)；二是在國(guó)內(nèi)鋁合金結(jié)構(gòu)的研究才起步，設(shè)計(jì)理論和規(guī)范還有待完善中，設(shè)計(jì)師們習(xí)慣于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)鋁合金材料的特性和鋁合金結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不足。以 下鋁合金結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要是與鋼結(jié)構(gòu)對(duì)比。2. 1鋁合金結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1）自重輕。鋼密度為7 8 5 0 kg /m 3,鋁合金密度為27 8 0 k g/

6、m3，雖然 由于鋁材強(qiáng)度與剛度較低而使得構(gòu)件截面加大，但相對(duì)于桁架鋼結(jié)構(gòu)，鋁合金結(jié)構(gòu)的自重可減輕2 0 %30%在跨度上，依目前施工水平鋼結(jié)構(gòu)跨度最大約為10 0m，而鋁合金結(jié)構(gòu)最大可做到300m，跨度更大。鋁合金自重輕有利于將工廠建設(shè)在原料產(chǎn)地附近，適于孤島、沙漠、高原、 高寒等各種惡劣環(huán)境。在安裝工藝上，鋁合金結(jié)構(gòu)采用高空散裝，相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu) 的吊裝對(duì)施工場(chǎng)地的要求更低。2）回收利用率高。在工業(yè)中用的金屬中，鋁具有很強(qiáng)的抗腐蝕性能，在建筑物 的使用期間，幾乎沒(méi)有腐蝕損失，是回收率最高的金屬材料之一。歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì) 研究表明，歐洲建筑物中鋁的平均回收率為 95. 7%最高的98%勺。而鋼鐵回 收

7、率最高僅為68.7% 4打3）材料損耗低。由于鋁合金結(jié)構(gòu)采取工廠化的精密加工，平方耗材上相較鋼 結(jié)構(gòu)可少3 0 %節(jié)省資源，降低成本。4）耐低溫。在低溫下鋁合金的拉伸性能提高、韌性改善、疲勞強(qiáng)度增加。鋁合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的減低而上升，并且拉伸強(qiáng)度增加比較明顯，在20K以下增加停止。鋁合金焊接材料隨溫度降低抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比母材相比 增加幅度較小'。工業(yè)建筑中的構(gòu)筑物大部分為露天結(jié)構(gòu)，如管廊、筒倉(cāng)、濃密 池，在低寒地區(qū)如果要采取保溫措施會(huì)大大提供工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用。4）耐腐蝕性強(qiáng)。工業(yè)廠房由于工藝生產(chǎn)要求，在不同的車(chē)間會(huì)出現(xiàn)不同的腐 蝕情況，而鋁合金結(jié)構(gòu)自身的可依靠表面致密

8、的鋁氧化膜來(lái)抵御腐蝕，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同合金的鋁合金來(lái)抵御腐蝕，可大大降低后期維護(hù)和檢測(cè)費(fèi)用。5）豐富工業(yè)建筑的外形和立面。鋁合金材料的可塑性強(qiáng)，采用獨(dú)特的擠壓工藝可制作出具有復(fù)雜截面的構(gòu)件，使截面形式更加合理，也可充分實(shí)現(xiàn)建造師的 意圖，做出弧形或者異形的建筑外觀，以滿(mǎn)足復(fù)雜建筑造型的要求。6）更加符合“綠色工房”的趨勢(shì)。鋁合金對(duì)于各種波長(zhǎng)的光線具有良好的反射率，外觀色澤好。由于鋁合金屋蓋對(duì)陽(yáng)光有高反射率，可保證建筑內(nèi)部環(huán)境冬暖夏涼。鋁合金面板易于鎖邊和咬合，增強(qiáng)建筑物的密閉性，減低能耗。鋁合金材料是工業(yè)廠房建筑朝著綠色、環(huán)保、節(jié)能、降耗方向發(fā)展必然選擇。2.2鋁合金結(jié)構(gòu)的需注意的問(wèn)題

9、鋁合金結(jié)構(gòu)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但與鋼結(jié)構(gòu)相比其也有自身的不足，在鋁合金 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案選型時(shí)需要引起注意。1）鋁合金構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的處理和防腐蝕。因鋁合金構(gòu)件與其他金屬接觸將發(fā)生電化學(xué)腐蝕，所以鋁合金的機(jī)械連接主要有不銹鋼螺栓連接、鍍鋅螺栓連接和鋁合金螺栓連接。由于高強(qiáng)度螺栓內(nèi)強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力會(huì)造成與螺栓頭、螺栓母相 接觸的鋁合金構(gòu)件表面損傷，因此鋁合金構(gòu)件不宜采用有預(yù)拉應(yīng)力的高強(qiáng)度螺 栓。2）鋁合金焊接熱影響區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)有不利影響。鋁合金焊接后在熱影響區(qū)的材料強(qiáng)度折減嚴(yán)重，一般規(guī)定主要受力構(gòu)件應(yīng)采用機(jī)械連接而不選擇焊接，設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)予以高度重視。鋁合金焊接工藝復(fù)雜、控制難度大。非常容易造成表面和內(nèi)部缺陷

10、，表面缺陷有表面裂紋、表面氣孔、咬邊、未焊透和燒穿等，一般采用放大鏡觀察或滲透試驗(yàn)檢測(cè)；內(nèi)部缺陷有氣孔、裂紋、夾渣及未熔合等，一般采用 射線或超聲波檢測(cè)。所以在鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 中給出焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)強(qiáng)度的折減系數(shù)Phaz。3）鋁合金材料彈性模量低，需要注意鋁合金結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定。鋁合金的彈性模量約為70GPa,僅有鋼材的1/3，并且由于鋁合金材質(zhì)較輕，結(jié)構(gòu)計(jì)算中 的荷載比例發(fā)生根本變化，容易導(dǎo)致活荷載作用下鋁合金結(jié)構(gòu)豎向撓度大于鋼結(jié) 構(gòu)，結(jié)構(gòu)的自振頻率高。需要增大截面的幾何尺寸來(lái)彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)剛度不足。4）鋁合金的熱膨脹系數(shù)在常溫下約為23x1。一6/°C,為鋼材的2倍。鋁合金結(jié)構(gòu)對(duì)

11、于溫度的變化（主要是升溫變化）敏感，且隨著溫度的升高，鋁合金的熱膨脹系數(shù)也逐漸增大，在20 0C時(shí)可以達(dá)到26 x1爐廠C。當(dāng)鋁合金構(gòu)件不受約束時(shí)，由 溫度變化引起的變形更大，在鋁合金結(jié)構(gòu)的構(gòu)件及支座設(shè)計(jì)、施工時(shí)必須加以注 意。但是由于鋁合金的彈性模量低，鋁合金構(gòu)件受到約束時(shí)，溫度變化引起的變 形僅為同條件下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的2/3®。3鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用工業(yè)建筑是人們從事各類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的建筑物和構(gòu)筑物。 建筑物主要是各種工 業(yè)廠房和輔助用房；主要構(gòu)筑物：水塔、煙囪、廠區(qū)內(nèi)棧橋、筒倉(cāng)、水池和露天設(shè)備平臺(tái)等。鋁合金結(jié)構(gòu)已在部分工業(yè)建筑中使用，如大型儲(chǔ)罐的罐頂（圖三）或者塔架（圖四）。

12、除了承受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的恒載和活載外，工業(yè)建筑與民用建筑相比 其自身的特點(diǎn)：1）在工業(yè)建筑中有大量的設(shè)備和工藝管線，在施工過(guò)程中，由于設(shè)備的搬運(yùn)和 管線的拖拉會(huì)難免會(huì)有與結(jié)構(gòu)碰撞，所以結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身應(yīng)有足夠的剛度，保證在一 般的施工條件下不會(huì)變形；2）在工業(yè)建筑中，建構(gòu)筑物的環(huán)境類(lèi)別由工藝條件決定，如在冶煉爐、精礦庫(kù)和配料車(chē)間等地方結(jié)構(gòu)構(gòu)件上易落上厚厚的灰塵，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生固相腐蝕； 而在電解車(chē)間或者凈液車(chē)間霧氣會(huì)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上形成冷凝液，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生 液相腐蝕;而在廢酸處理車(chē)間、發(fā)煙酸車(chē)間或者酸庫(kù)等地方，結(jié)構(gòu)構(gòu)件則處酸霧 氣中，受到氣相腐蝕。（如支撐、次梁或者支架），鋁合3）在工業(yè)建筑中，由于

13、涉及的專(zhuān)業(yè)多，管線多，在現(xiàn)場(chǎng)不可避免會(huì)與結(jié)構(gòu) 有碰撞或者需要增加支托，要切割或增加部分桿件金結(jié)構(gòu)要能可增加或者減少部分構(gòu)件。iV圖三鋁合金網(wǎng)架油罐圖四鋁合金塔架4鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的發(fā)展機(jī)遇中國(guó)已經(jīng)是全球最大的鋁擠壓材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，至2014年底，我國(guó)約有670家鋁擠壓企業(yè)。鋁擠壓材表面處理生產(chǎn)線約有695條，鋁擠壓材的品種規(guī)格已開(kāi)發(fā)出1萬(wàn)余種，鋁擠壓材表面處理色彩達(dá)到600多種。目前我國(guó)鋁擠壓工業(yè)無(wú)論在裝備規(guī)模上還是在鋁擠壓材表面處理技術(shù)上都處于全球領(lǐng)先水平。中國(guó)完全具 備發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)條件。由于2 0 08年起全球經(jīng)濟(jì)衰退的持續(xù)，使得國(guó)內(nèi)鋁材期貨價(jià)格從2003年2月1 9 44

14、0元/t的最高價(jià)下滑到20 1 6年1月下旬的 10700元/t，大幅萎縮接近5 0%,制約鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要因素一一價(jià)格，已 降低到歷史低谷。發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用，能夠消化鋁合金過(guò)剩產(chǎn)能，增強(qiáng)中國(guó)建筑企業(yè)科技創(chuàng)新能力，提高企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要意義，現(xiàn)階段是發(fā)展鋁 合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中應(yīng)用的最佳機(jī)遇期。5鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中推廣的存在問(wèn)題1）大力發(fā)展耐高溫的結(jié)構(gòu)用鋁合金材料。2）加強(qiáng)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的抗火研究。目前對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能研究已經(jīng)取得大量的成果，而對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和整體抗火性能的研究有限。3）加強(qiáng)對(duì)鋁合金框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和研究。鋁合金結(jié)構(gòu)由于材料與鋼材有很大的差異

15、，所以鋁合金結(jié)構(gòu)的研究和使用，應(yīng)該脫離原有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和思 路，充分發(fā)揮鋁合金結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。6結(jié)論1）鋁合金結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中有著廣闊的前景。鋁合金結(jié)構(gòu)可用于室外管架和平臺(tái)，低溫環(huán)境下的支撐結(jié)構(gòu)，大跨度廠房屋面，壓力容器罐，特殊外形的建構(gòu) 筑物，有消磁要求的建筑，外部的維護(hù)結(jié)構(gòu)，海邊和腐蝕環(huán)境下，移動(dòng)結(jié)構(gòu)，可 拆卸結(jié)構(gòu)。2）雖然鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大，但是對(duì)于工業(yè)建筑，舒適度要求低于民用建筑。有著良好的適應(yīng)性。鋁合金結(jié)構(gòu)可根據(jù)工廠的環(huán)境類(lèi)型選用與之相適應(yīng)的 合金材料，達(dá)到耐腐蝕,耐低溫,3) 鋁合金結(jié)構(gòu)未來(lái)研究的重點(diǎn)有：鋁合金型材穩(wěn)定系數(shù)的選??；鋁合金結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。鋁合金便于擠壓成型,未來(lái)可以設(shè)計(jì)出各種形式多樣的機(jī)械連接節(jié)點(diǎn)形式參考文獻(xiàn)1鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用現(xiàn)狀、前景及發(fā)展建議姚常華，楊建國(guó)，吳利權(quán)鋼結(jié)構(gòu)，20 0 9, 2 4 :1- 5。2 :鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題楊聯(lián)萍，韋申，張其林建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，20 13, 3 4 (2):1-1 9。3 王祝堂 資源再生,2 005 ( 6 ): 3 9-394：楊英