铝合金结构在工业建筑中的应用现状及前景.doc

铝合金结构在工业建筑中的应用及前景
蔡 飞 李大浪
（中国瑞林工程技术有限公司 南昌 330033）
摘 要：铝合金材料所具有的轻质、耐腐蚀、易维护和施工方便等优点，使得铝合金结构在土木工程中的应用得到迅速发展。在国内外铝合金结构已应用于桥梁和大跨民用建筑，我国目前已具备发展铝合金结构在工业建筑中应用的基础条件。本文概述了铝合金结构在工业建筑中的应用实例及科技研发进展，说明铝合金结构自身的特点、存在的问题、适用范围和前景。
关 键 词：铝合金结构；工业建筑；应用现状
APPLICATION STATUS AND PROSPECTS OF ALUMINUM ALLOY STRUCTURE IN INDUSTRIAL CONSTRUCTION
ABSTRACT:Aluminum structures have the advantanges such as light weight,resistance to corrosion easy extrusion process ,etc.Due to theses advantages,more and more attention was attracted and their applications are getting wider in the field of industrial construction.The basic
requirements of developing the aluminum alloy industrial construction have been satisfied in China．
KEY WORDS: aluminum alloy structure；industrial construction ; application state
1 概述
铝合金材料具有密度小、强重比高、耐腐蚀、焊接性能好、维护费用低及可循环利用等诸多优点，已经被广泛应用于航天、桥梁、交通工具等各个领域，在结构工程中也越来越引起人们的兴趣与重视。近年来，在国内陆续兴建了不少的铝合金空间结构和桥梁，如图一北京市西单商业区人行天桥主跨为38.1m[1]；图二上海辰山植物园温室，三个单体长x宽x高分别为203x33x20.5m，128x100x17m，110x34x14m[2]。这些工程的建设完成对铝合金结构的发展提供了有利的工程经验和理论研究基础。

图二 上海辰山植物园温室

图一 北京西单人行天桥

现有工业建筑中主要是采用钢结构和钢筋混凝土结构，如果能积极运用和推广铝合金结构，对优化产业整体水平、绿色建筑、实现可持续发展等均具有重大意义。

2铝合金结构的特点
在目前的工业建筑中，传统的钢结构仍然占据着主导地位，而铝合金结构才刚刚起步，只用于很小的一部分。原因是：一是早些年铝合金材料的价格远高于钢结构；二是在国内铝合金结构的研究才起步，设计理论和规范还有待完善中，设计师们习惯于钢结构的设计，对铝合金材料的特性和铝合金结构的认识不足。以下铝合金结构的特点主要是与钢结构对比。
2.1铝合金结构的优点
1）自重轻。钢密度为7850kg/m3，铝合金密度为2780kg/m3，虽然由于铝材强度与刚度较低而使得构件截面加大，但相对于桁架钢结构，铝合金结构的自重可减轻20%~30%。在跨度上，依目前施工水平钢结构跨度最大约为100m，而铝合金结构最大可做到300m，跨度更大。
铝合金自重轻有利于将工厂建设在原料产地附近，适于孤岛、沙漠、高原、高寒等各种恶劣环境。在安装工艺上，铝合金结构采用高空散装，相对于钢结构的吊装对施工场地的要求更低。
2）回收利用率高。在工业中用的金属中，铝具有很强的抗腐蚀性能，在建筑物的使用期间，几乎没有腐蚀损失，是回收率最高的金属材料之一。欧洲铝业协会研究表明，欧洲建筑物中铝的平均回收率为95.7％，最高的98％ [3]。而钢铁回收率最高仅为68.7% [4]。
3）材料损耗低。由于铝合金结构采取工厂化的精密加工，平方耗材上相较钢结构可少30节省资源，降低成本。
4）耐低温。在低温下铝合金的拉伸性能提高、韧性改善、疲劳强度增加。铝合金的拉伸强度和屈服强度随温度的减低而上升，并且拉伸强度增加比较明显，在20K以下增加停止。铝合金焊接材料随温度降低抗拉强度和屈服强度比母材相比增加幅度较小[5]。工业建筑中的构筑物大部分为露天结构，如管廊、筒仓、浓密池，在低寒地区如果要采取保温措施会大大提供工程造价和维护费用。
4）耐腐蚀性强。工业厂房由于工艺生产要求，在不同的车间会出现不同的腐蚀情况，而铝合金结构自身的可依靠表面致密的铝氧化膜来抵御腐蚀，也可根据实际情况选择不同合金的铝合金来抵御腐蚀，可大大降低后期维护和检测费用。

5）丰富工业建筑的外形和立面。铝合金材料的可塑性强，采用独特的挤压工艺可制作出具有复杂截面的构件，使截面形式更加合理，也可充分实现建造师的意图，做出弧形或者异形的建筑外观，以满足复杂建筑造型的要求。
6）更加符合“绿色工房”的趋势。铝合金对于各种波长的光线具有良好的反射率，外观色泽好。由于铝合金屋盖对阳光有高反射率，可保证建筑内部环境冬暖夏凉。铝合金面板易于锁边和咬合，增强建筑物的密闭性，减低能耗。铝合金材料是工业厂房建筑朝着绿色、环保、节能、降耗方向发展必然选择。
2.2铝合金结构的需注意的问题
铝合金结构具有诸多的优点，但与钢结构相比其也有自身的不足，在铝合金结构设计和方案选型时需要引起注意。
1）铝合金构件连接节点的处理和防腐蚀。因铝合金构件与其他金属接触将发生电化学腐蚀，所以铝合金的机械连接主要有不锈钢螺栓连接、镀锌螺栓连接和铝合金螺栓连接。由于高强度螺栓内强大的预应力会造成与螺栓头、螺栓母相接触的铝合金构件表面损伤，因此铝合金构件不宜采用有预拉应力的高强度螺栓。
2）铝合金焊接热影响区对结构有不利影响。铝合金焊接后在热影响区的材料强度折减严重，一般规定主要受力构件应采用机械连接而不选择焊接，设计和施工中应予以高度重视。铝合金焊接工艺复杂、控制难度大。非常容易造成表面和内部缺陷，表面缺陷有表面裂纹、表面气孔、咬边、未焊透和烧穿等，一般采用放大镜观察或渗透试验检测；内部缺陷有气孔、裂纹、夹渣及未熔合等，一般采用射线或超声波检测。所以在《铝合金结构设计规范》[6]中给出焊接热影响区范围内强度的折减系数ρhaz。
3）铝合金材料弹性模量低，需要注意铝合金结构的变形和稳定。铝合金的弹性模量约为70GPa，仅有钢材的1/3，并且由于铝合金材质较轻，结构计算中的荷载比例发生根本变化，容易导致活荷载作用下铝合金结构竖向挠度大于钢结构，结构的自振频率高[7]。需要增大截面的几何尺寸来弥补结构刚度不足。
4）铝合金的热膨胀系数在常温下约为23x10-6/℃，为钢材的2倍。铝合金结构对于温度的变化（主要是升温变化）敏感，且随着温度的升高，铝合金的热膨胀系数也逐渐增大，在200

℃时可以达到26 x10-6/℃。当铝合金构件不受约束时，由温度变化引起的变形更大，在铝合金结构的构件及支座设计、施工时必须加以注意。但是由于铝合金的弹性模量低，铝合金构件受到约束时，温度变化引起的变形仅为同条件下钢结构构件的2/3[8]。
3 铝合金结构在工业建筑中的应用
工业建筑是人们从事各类生产活动的建筑物和构筑物。建筑物主要是各种工业厂房和辅助用房；主要构筑物：水塔、烟囱、厂区内栈桥、筒仓、水池和露天设备平台等。铝合金结构已在部分工业建筑中使用，如大型储罐的罐顶（图三）或者塔架（图四）。除了承受结构设计中的恒载和活载外，工业建筑与民用建筑相比其自身的特点：
1在工业建筑中有大量的设备和工艺管线，在施工过程中，由于设备的搬运和管线的拖拉会难免会有与结构碰撞，所以结构构件自身应有足够的刚度，保证在一般的施工条件下不会变形；
2）在工业建筑中，建构筑物的环境类别由工艺条件决定，如在冶炼炉、精矿库和配料车间等地方结构构件上易落上厚厚的灰尘，会对结构构件产生固相腐蚀；而在电解车间或者净液车间雾气会在结构构件上形成冷凝液，会对结构构件产生液相腐蚀；而在废酸处理车间、发烟酸车间或者酸库等地方，结构构件则处酸雾气中，受到气相腐蚀。

图三 铝合金网架油罐顶

3）在工业建筑中，由于涉及的专业多，管线多，在现场不可避免会与结构有碰撞或者需要增加支托，要切割或增加部分杆件（如支撑、次梁或者支架），铝合金结构要能可增加或者减少部分构件。

图四 铝合金塔架

4 铝合金结构在工业建筑中的发展机遇
中国已经是全球最大的铝挤压材生产国和消费国，至2014年底，我国约有670家铝挤压企业。铝挤压材表面处理生产线约有695条，铝挤压材的品种规格已开发出1万余种，铝挤压材表面处理色彩达到600多种。目前我国铝挤压工业无论在装备规模上还是在铝挤压材表面处理技术上都处于全球领先水平。中国完全具备发展铝合金结构的基础条件。由于2008年起全球经济衰退的持续，使得国内铝材期货价格从2003年2月19 440元／t的最高价下滑到2016年1月下旬的10700元／t，大幅萎缩接近50％，制约铝合金结构应用的重要因素——价格，已降低到历史低谷。
发展铝合金结构在工业建筑中的应用，能够消化铝合金过剩产能，增强中国建筑企业科技创新能力，提高企业自身的竞争力，具有重要意义，现阶段是发展铝合金结构在工业建筑中应用的最佳机遇期。
5铝合金结构在工业建筑中推广的存在问题
1）大力发展耐高温的结构用铝合金材料。
2）加强对铝合金结构的抗火研究。目前对钢结构的抗火性能研究已经取得大量的成果，而对于铝合金结构的构件和整体抗火性能的研究有限。
3）加强对铝合金框架结构的试验和研究。铝合金结构由于材料与钢材有很大的差异，所以铝合金结构的研究和使用，应该脱离原有钢结构设计的方法和思路，充分发挥铝合金结构的特点。

6 结论
1） 铝合金结构在工业建筑中有着广阔的前景。铝合金结构可用于室外管架和平台，低温环境下的支撑结构，大跨度厂房屋面，压力容器罐，特殊外形的建构筑物，有消磁要求的建筑，外部的维护结构，海边和腐蚀环境下，移动结构，可拆卸结构。
2） 虽然铝合金的热膨胀系数较大，但是对于工业建筑，舒适度要求低于民用建筑。有着良好的适应性。铝合金结构可根据工厂的环境类型选用与之相适应的合金材料，达到耐腐蚀，耐低温，

3） 铝合金结构未来研究的重点有：铝合金型材稳定系数的选取；铝合金结构连接节点的设计。铝合金便于挤压成型，未来可以设计出各种形式多样的机械连接节点形式
参考文献
[1] 铝合金结构桥梁的应用现状、前景及发展建议 姚常华，杨建国，吴利权 《钢结构》, 2009, 24(7):1-5。
[2] 铝合金空间网格结构研究现状及关键问题 杨联萍，韦申， 张其林《建筑结构学报》, 2013, 34(2):1-19。
[3] 王祝堂 《资源再生》, 2005(6):39-39
[4] 杨英惠(摘译) 《现代材料动态》, 2008(6):15-16
[5] 铝合金在低温下的力学性能 陈鼎 陈振华《宇航材料工艺》2000(4):1-7
[6] GB50429-2007 铝合金结构设计规范[S]
[7] 晓东．新型铝合金结构在城市人行天桥中的应用[J]．桥梁建设，2007(6)：37—41．
[8] Dwight J． Aluminium design and construction［M］．London and New York: E ＆ FN Spon，1999．

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