铝合金结构构件有何理论，相关实验取得进展，铝合金使用迎来春天

1．1研究背景

1．1.1课联来源

本文静研究课题来源于《镭合金格构结构成套技术研究与开发》科研项目。《锅合金格构结构成套技术研究与开发》科研项目是由上海市建筑设计研究院有限公司、上海市建设和交避委员会空阉维搀技术学科(专项技术)硬究发展中心会随同济大学。

上海高掰铝质工程股份有限公司基两承担的上海市建设技米发展嫠金会的科研项目(科研合同编号A0205124)2我国铝加工行娥现状铝是一种辍金属，在金属品种中，仅次子钢铁，为第=太类金属。由于铝轻便、强度高、延伸性好、导电性强及彘好的抗腐蚀蒋特性。

被广泛用于建筑、包装、电子及运输等行业，靛空、国防和汽车等领域对铝的需求斑越来越大。20整纪90年代以来，随着铝工鼗的技术及装备永平静握高，全球琢铝产璧迅猛增长。最新数据显示，2005年全世界原铝总产量达2346．3万吨。

豳均产量6．43万吨；而2006年1月勰胃世界慧产量为1583．4万吨，曩均产量6．52万吨；魇镪产量呈逐年上舞之势。其中，我国2005年鞭铝产量达360万吨，占世界原铝产墓的15．6％，稳居整界第一位p蚪。

铝锭进入正业应用之席可以分为两大类：轧制产品(如板、带、箔)和挤压产品(如挤迸溅材、管材、棒材)。经历了20多年的发展，我国的铝型：l噻挤压工蛾得到了长足驰进步，成为了世界第一铝壁材生产帮辩费大潮。

到2004年底。中国在产的挤压厂超过650家，挤压机保有数量超过3000台，最大挤压能力达到10000吨。铝挤压材总产能先429万吨，年，其中锅型材产能380万吨，年。目蓠，分裙在广东戆送的铝挤蚕厂数量超过220家。

仍惩孛营铝挤嚣辑生产簸密集静缝酝；踩广窳地隧外，中国锅挤压材生产还主要集中在环渤海地区和华东她区。辽宁忠旺铝型材厂以11．9万吨的年产量使屠国内第一。

排在第2至第lO能的企业依次是台山金拼铝业(7．1万吨)、亚洲锫厂(6国万堍)、广东若发铝媲(5．8万楚)、由东南出铝韭(5_57Y琏)、出家丛稀铝熊(4j万吨)、南海南华铝渡(4．3万吨)、广东坚荧铝业(4．3万吨)、浙江栋梁锱北(3．7万吨)和福建南乎铝业(3．7万吨)。

1．1．3铝合衾结构

在嘲内外的成用从20世纪40年代以来，铝合金就开始广泛的应用于建筑结构之中，且前世界上瑗己建袋约6000多崧铝台金空霹结梅。

旱在1954年，荚国魏建藏了跨度运365英足(111．3米)豹铝含金球面网蠢结构(FestivalSouthBankExhibition)f1021以及跨度为150英尺(45．7米)的门絮结构(英嗣伦敦飞机库)0021。其他如荷兰的Nicuwcgcin办公大楼大厅铝合金网架。

覆羲嚣凝遮4500m2；蔫兰Zoetcrmcer律育孛心戆球形铝台金建筑，壹径遮63m；美国海军在南极建造的巨蛋建筑直径达50m。同时铝合金结构在桥梁、储油罐、发电厂、煤棚等工业建筑及构筑物中也得到大量应用。

上世纪90年代以来，铝合金结构在我国的应用也在逐渐增多。到目前为止，我国各地共建成了将近10余幢大型的铝合金空间结构阁。表1列出了我国主要的已建和在建的铝合金结构。

目前我国已建和在建的铝合金结构主要有三种类型：单层球面网壳、螺栓球节点网架和双层f目壳。单层球面铝合金网壳的主要特点是：结构几何形状由单层球面(或椭球面)所划分得到的三向网格组成；网壳矢高一般可达20m-40m。

直径可达40m一70m；网壳杆件多为H型截面，节点处采用螺栓将上下弧形圆盘盖板和杆件上下翼缘连接。目前我国建成的单层球面铝合金网壳有5幢(天津平津战役纪念馆、上海国际体操中心、上海马戏城、上海科技馆和湖南长沙招商服务中心)。

在建的有1幢(上海悦达广场云顶状铝合金网壳)。1996年建成的天津市平津战役纪念馆14Z]是我国首幢三角形网格的铝合金单层球面网壳，其底平面直径45．6m，矢高33．83m，最大球面直径48．945m(3／4球面网壳)，网壳重34．4吨。

连同铝合金屋面板的总重58．7吨。上海科技馆单层球面网壳[45Jp6]的长轴长67m，短轴长51m，矢高42．2m，是目前国内跨度和体型最大的铝合金单层球面网壳。螺栓球节点铝合金网架的主要特点是：网架为双层，杆件均采用圆管截面。

连接节点采用螺栓球节点。铝管杆件和锥头连接通常采用焊接，但焊接会极大的降低铝合金的强度，中国建筑科学研究院开发了一种新型专利技术，采用冷加工的方法连接铝管和锥头，能够减小焊接带来的强度损失，并应用在多项实际工程中。

由于铝管和锥头连接技术的限制，国内目前建成的铝合金螺栓球节点网架跨度多在30m以下，体型均较小，如北京航天实验研究中心零磁试验室铝合金网架、湖北清江游泳馆屋顶、航天509所铝合金网架、无锡汽车销售中心铝网架等。

铝合金双层网壳的主要特点是：网壳为双层，弦杆多采用H型截面，腹杆多采用圆管截面，腹杆和弦杆之间采用不锈钢螺栓连接。目前我国建成的铝合金双层网壳有上海植物园展览温室和上海浦东游泳馆。

上海浦东游泳馆屋盖是一种双层圆柱面正放四角锥网壳，平面尺寸(54．0m-58．Om)×72．Om(--边带圆弧形)，网壳厚2．4m，曲率半径lOOm，连同铝合金屋面板总重量为92．63吨。

上海植物园展览温室铝合金网架为厚度2m，平面尺寸81mX66m，主屋面桁架最大跨度24m，整个网架的形状就向一架扶摇直上的飞机。除了上述三类空间结构，铝合金还在建筑施工和建筑装饰中得到了大量应用。

如施工用的铝合金脚手架、铝合金抱杆以及轻型铝合金塔架等，而铝合金幕墙框架则更是不计其数，不胜枚举。

1．2研究现状

1．2．1国外研究现状国外

从20世纪40年代以来就开始了铝合金结构的研究。经过近70年的发展，铝合金结构的研究已经比较成熟，从铝合金的材料特性、构件计算、连接设计、防火设计，到铝合金结构的整体计算，都有相当多的研究成果。

目前国外研究热点多集中在铝合金的局部稳定、铝合金的疲劳问题、受弯构件的转动性能和铝合金T型连接等方面。下文简单介绍一下国外对铝合金结构的研究历程。铝合金材料的应力应变曲线并不象钢材那样。

它没有明显的屈服平台，而是一条连续光滑的曲线。因此，其本构关系不能简单的用理想弹塑性模型或双线性模型来描述。国外对于铝合金的本构关系进行过十分深入的研究。

早在1939年，Ramberg和Osgood就提出了著名的Ramberg-Osgood模型：该模型采用3个参数E、丑和n来描述铝合金本构关系，其表达式十分简洁，各参数的物理意义明确，更为可贵的是，该模型与铝合金的实际本构关系十分。

因此它现在已被广泛采用。Ramberg-Osgood模型不仅能应用于描述铝合金的本构关系，还能用于描述不锈钢、高强合金铜等多种没有明显屈服的材料的本构关系，因此，其适用范围十分广泛。不过美中不足的是：

指数n对铝合金的本构关系曲线影响很大，而几乎所有的规范都不会明文规定指数^的数值，这一点大大限制了该模型的应用。为了解决这一问题，不少学者提出了不同的建议，SteinHardt于1971提出了一个简单的建。

论是钢结构还是铝合金结构，对轴心受压构件极限承载力的研究无疑都是最为关键的一个课题。影响轴心受压构件极限承载力的一个重要因素是初始缺陷，初始缺陷主要包括残余应力和初始弯曲。

构件截面上的残余应力主要和构件的加工方法有关。Mazzolani通过试验研究发现，铝合金挤压型材的残余应力普遍很小，一般小于20Mpa。这和热轧钢构件有所不同，钢构件中的残余应力会达到其屈服强度的0．3--0．5倍。

是一种严重的缺陷；而在铝合金挤压型材中，这种影响几乎可以忽略不计。美国的舢和英国剑桥大学1冽先后对铝合金焊接型材的残余应力进行了研究，发现最大残余压应力为其基准应力的20％左右，他们还给出了典型的H型截面、箱型截面的残余应力模型。

对各国型材产品的调查资料表明，初始弯曲一般在L／1000[ml以内。为了确定铝合金轴压构件的极限承载力，美国早在20世纪30枷年代就进行了大量的铝合金轴心受压构件试验不过当时的试验手段比较陈旧。

因此仅给出了一些定性的结果f211；20世纪60年代前后，美国又进行了一批焊接铝合金轴心受压构件的试验，并给出了焊接构件稳定系数的计算公。欧洲对铝合金轴心受压构件的系统试验研究开始于1970年之后。

1970—1972年，在列日大学(UniversityofLiege)进行了一批挤压型材构件试验1974--1977年意大利进行了一批焊接构件的试验。

通过大量的试验和计算机数值模拟欧洲铝合金结构委员会(ECCS)采用了3条妒一页曲线来计算轴心受压构件的整体稳定性20世纪80年代以后，轴心受压构件的研究已经基本完成，后期的研究主要集中在非对称截面杆。

变截面杆件的整体稳定问题以及新规范的修订工作随着科学技术的进步和人们对受弯构件认识的加深，最新的研究通常将粱的截面塑性发展性能、板件局部屈曲、截面的畸变等因素和梁的整体稳定一起进行分析。

根据截面的塑性发展性能，欧洲规范将梁截面分为4类：延性截面(截面能达到塑性铰弯矩，具有足够转动能力)、半延性截面(截面可以达到塑性铰弯矩，但转动能力有限)、非延性截面(截面不能达到塑性铰弯矩)和薄壁截面(局部屈曲先于整体失稳出现)。

各类截面梁的整体稳定系数和钢结构相比，铝合金的局部稳定问题更为突出。因为铝合金的弹性模量只有钢材的1／3；因此，若采用限制板件宽厚比的办法来保证截面的局部稳定是十分不经济的，故各国规范通常都采用有效宽度的办法来考虑局部稳定问题。

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