铝合金承重结构的应用

铝合金作为承重结构，已经在很多场合中成为取代钢、木的首选材料。铝合金作为承重结构材料的主要优点主要有以下几个方面：

1）强度较高、重量更轻，可以减轻建筑物的总重量。

2）外观美观，有与不锈钢材料及其他金属材料截然不同的光泽与质感，而造价又低于不锈钢结构。

3）耐蚀性好、免维护，尤其适用于一些在较强腐蚀环境下服役的建筑结构，例如游泳场馆、化工行业和煤炭行业的厂房和仓库、以及海洋性气候条件下的结构等。

4）易回收，再处理成本低，再利用率高，不仅回收剩余价值高，而且利于环保。

5）无磁性，适用于航天航空、天文台及雷达站等有特殊场合的要求。

6）塑性好，可有效地应用于各种产品形式，如挤压、轧制、锻造及铸造等。

1.铝合金在房屋承重中的应用 在框架结构中，由于铝的弹性模量很低，常采用钢玄柱与铝横梁的混合结构。例如，比利时的安特卫普市中的一个库房的骨架是由钢铝混合框架制成的，采用铝件的原因，是严重的海洋性气候和地下土质松软，要求减轻整体结构的重量，整个结构中所用铝材的尺寸为250m×3m，由14个双绞式框架组成横梁，立柱采用钢铁，铝合金结构的跨度为80m。

近年来，大型空间建筑的网壳结构已大量使用铝合金构件，如丰田汽车博物馆（见图9-2）、康涅狄格大学及夏威夷大学竞技场、贝尔竞技中心和加利福尼亚州长滩盖云杉古柏的126149m²圆盖等。

我国这些年也建造了一批铝合金网壳结构屋盖。如1996年建成的天津市平津战役纪念馆就是我国首幢铝合金三角形网格单层球面网壳；作为上海八运会的体育馆之一的上海国际体操中心主馆，采用铝合金扇形三向型-葵花三向型网格单层球面网壳，1999年还建成了上海杂技馆，也采用了铝合金扇形三向型-葵花三向型网格单层球面网壳此外，上海浦东游泳馆屋盖也采用了铝合金网壳结构，所不同的是，它是一种双层圆柱面正方四角锥网壳；作为上海APEC会议主会场的上海科技馆巨型椭球体网壳结构的长轴67m、短轴51m、球高416m，其外形复杂，属国内外建筑所罕见（见图9-3）。

图9-2 丰田汽车博物馆

图9-3 上海市科技馆巨型椭球体网壳结构

铝合金球体系统为无支柱的、沿周边支撑的净跨结构，其构架采用铝合金的构件和节点组成单层格构结构，铝构件和节点排列在球形弧面上。结构件排列所成的三角形空间结构采用玻璃板加以闭合。结构件的连接是采用螺栓或铆栓将工字铝型材的翼缘与铝合金节点板紧固在一起。结构体系的标准节点如图9-4中所示。

图9-4 上海科技馆球体结构中的铝合金节点

铝合金球体结构中所有金属构件为铝合金或奥氏体不锈钢。位于安装支架以上的铝合金结构不论任何位置均不得使用镀锌、镀漆或电镀的钢构件。选择铝合金作为屋顶的施工材料可快速装配结构构件和玻璃屋面构件，轻质单一的铝合金梁构件还可以保证良好的装配效果其结构体系的主要特征如下：(www.xing528.com)

1）允许预制，安装快速。

2）梁结构件的顶、底角撑板的连接可保证接点处较大的力矩传递，结构梁是热压企口对称工字截面，采取连接板和压板体系连接。

3）无弯曲刚度的板，通过薄膜作用将周围荷载转移到梁上，板也能稳定在梁的顶部法兰上防止梁朝次轴方向侧向压屈。

4）所有结构构件是6061-T6铝合金，连接板也是铝合金，全部铝合金建筑可提供非常可靠的耐蚀性。

2.铝合金在桥梁中的应用

随着铝合金性能的不断提高，铝合金作为桥梁构件在人行桥、汽车桥和铁路桥中均得到了应用。铝合金在大气的影响下，在表面能形成一层氧化层，可起到防腐蚀的作用。与钢材相比，重量较轻的铝材还具有以下优点：由于负荷较轻，可以减少下部结构的建造费用，较大的构件可以在工厂预制；较轻的预制件的运输和吊装也较为容易。20世纪五六十年代北美洲修建了许多铝桥，由于具有耐蚀性，无须涂油漆便能抵御环境的影响，因此，这种轻金属桥很容易维护。

1950年加拿大在阿尔维达建成了当时世界上最长的铝拱桥。该桥跨越魁北克的塞石奈河，跨度为90m，车行道全长150m，所用铝合金为铝铜镁系合金，桥梁自重较轻与钢材建造相比质量减轻了56％。

1956年德国建成了腹杆主桁架桥，桥的跨度结构件是Al-Mg-Si合金铆接的，其质量为钢的30％。1953年美国利用铝合金主梁焊接公路高架桥，桥长为66m。1960年吉普汽车运输公司设计了跨度为32.4m的公路桥，桥跨的结构件是用2024合金铆接的1956年加拿大在寒根河上建成了拱式桥，主跨用2024合金，采用无铰拱跨式和铆接方式，用铝总量达到187t。我国首座全铝合金结构城市人行过街天桥建于2007年的杭州此桥主跨19.5m、桥宽3.5m、总长35.1m，整体结构轻盈、简洁，通透感强（见图9-5）。

在几十年的铝桥建设中，虽然也有全铝结构桥梁，但铝桥面板的应用还是占了绝大多数，轻质是其最大特点。桥梁结构的承载能力在很大一部分用来承载其自身的重量对于钢筋混凝土组合桥梁来说，承载的大部分是混凝土面板的重量，而更换轻质的铝桥面板可以做到不需要加强主体结构或基础就能增加结构的有效承载能力。

铝桥面板具有以下特点：

1）重量轻，有比混凝土更大的强度重量比，铝的轻质使构建预制和大量装配构件的运输变得容易。

2）铝桥面板的性能同混凝土相近，但在负弯矩区具有更高的承载力。

3）铝桥面板在寒冷地区有着特殊的优势，冬季融化的雪水是造成钢筋混凝土桥腐蚀的一个重要原因，然而铝桥面就可以完全避免这个问题。

图9-5 杭州全铝合金结构城市人行过街天桥

铝桥面板是由多孔挤压型材连接在一起的，其主要组合形式包括单孔、双孔组合结构及桁架式组合结构。型材之间的连接主要有铆接、螺栓连接和焊接三种，由于焊接结构简单、省工省料而得到广泛应用。

铝合金在铁路桥中的应用目前还非常有限，1946年美国在格拉斯河上建造了一座跨度为29.72m的铁路桥。跨式结构是铝桥梁的较理想的一种形式。混凝土板铺设在薄壳的实体腹板上，每对薄壳上部采用小圆拱连接，下部同立墙连接，立墙的下部为整体水平板。