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

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（中國瑞林工程技術(shù)有限公司 南昌 330033）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，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)建筑中的應(yīng)用實例及科技研發(fā)進(jìn)展，說明鋁合金結(jié)構(gòu)自身的特點、存在的問題、適用范圍和前景。關(guān) 鍵 詞：鋁合金結(jié)構(gòu)；工業(yè)建筑；應(yīng)用現(xiàn)狀A(yù)PPLICATION STATUS AND PROSPECTS OF ALUMINUM ALLOY STRUCTURE IN INDUSTRIAL CONSTRUCTIONABSTRACT: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 basicrequirements of developing the aluminum alloy industrial construction have been satisfied in ChinaKEY WORDS: aluminum alloy structure；industrial construction ; application state1 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)費用低及可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、橋梁、交通工具等各個領(lǐng)域，在結(jié)構(gòu)工程中也越來越引起人們的興趣與重視。近年來，在國內(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38.1m1；圖二上海辰山植物園溫室，三個單體長x寬x高分別為203x33x20.5m，128x100x17m，110x34x14m2。這些工程的建設(shè)完成對鋁合金結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有利的工程經(jīng)驗和理論研究基礎(chǔ)。圖二 上海辰山植物園溫室圖一 北京西單人行天橋現(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)，如果能積極運用和推廣鋁合金結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化產(chǎn)業(yè)整體水平、綠色建筑、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等均具有重大意義。 2鋁合金結(jié)構(gòu)的特點 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格遠(yuǎn)高于鋼結(jié)構(gòu)；二是在國內(nèi)鋁合金結(jié)構(gòu)的研究才起步，設(shè)計理論和規(guī)范還有待完善中，設(shè)計師們習(xí)慣于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對鋁合金材料的特性和鋁合金結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不足。以下鋁合金結(jié)構(gòu)的特點主要是與鋼結(jié)構(gòu)對比。2.1鋁合金結(jié)構(gòu)的優(yōu)點1）自重輕。鋼密度為7850kg/m3，鋁合金密度為2780kg/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，但相對于桁架鋼結(jié)構(gòu)，鋁合金結(jié)構(gòu)的自重可減輕20%30%。在跨度上，依目前施工水平鋼結(jié)構(gòu)跨度最大約為100m，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，相對于鋼結(jié)構(gòu)的吊裝對施工場地的要求更低。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)會研究表明，歐洲建筑物中鋁的平均回收率為95.7，最高的98 3。而鋼鐵回收率最高僅為68.7% 4。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30%，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5。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、濃密池，在低寒地區(qū)如果要采取保溫措施會大大提供工程造價和維護(hù)費用。4）耐腐蝕性強(qiáng)。工業(yè)廠房由于工藝生產(chǎn)要求，在不同的車間會出現(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的鋁氧化膜來抵御腐蝕，也可根據(jù)實際情況選擇不同合金的鋁合金來抵御腐蝕，可大大降低后期維護(hù)和檢測費用。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，也可充分實現(xiàn)建造師的意圖，做出弧形或者異形的建筑外觀，以滿足復(fù)雜建筑造型的要求。6）更加符合“綠色工房”的趨勢。鋁合金對于各種波長的光線具有良好的反射率，外觀色澤好。由于鋁合金屋蓋對陽光有高反射率，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)的需注意的問題鋁合金結(jié)構(gòu)具有諸多的優(yōu)點，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)計和方案選型時需要引起注意。1）鋁合金構(gòu)件連接節(jié)點的處理和防腐蝕。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，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檢測；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。所以在鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范6中給出焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)強(qiáng)度的折減系數(shù)haz。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7。需要增大截面的幾何尺寸來彌補(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23x10-6/，為鋼材的2倍。鋁合金結(jié)構(gòu)對于溫度的變化（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200時可以達(dá)到26 x10-6/。當(dāng)鋁合金構(gòu)件不受約束時，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、施工時必須加以注意。但是由于鋁合金的彈性模量低，鋁合金構(gòu)件受到約束時，溫度變化引起的變形僅為同條件下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的2/38。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生產(chǎn)活動的建筑物和構(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、水池和露天設(shè)備平臺等。鋁合金結(jié)構(gòu)已在部分工業(yè)建筑中使用，如大型儲罐的罐頂（圖三）或者塔架（圖四）。除了承受結(jié)構(gòu)設(shè)計中的恒載和活載外，工業(yè)建筑與民用建筑相比其自身的特點：1）在工業(yè)建筑中有大量的設(shè)備和工藝管線，在施工過程中，由于設(shè)備的搬運和管線的拖拉會難免會有與結(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變形；2）在工業(yè)建筑中，建構(gòu)筑物的環(huán)境類別由工藝條件決定，如在冶煉爐、精礦庫和配料車間等地方結(jié)構(gòu)構(gòu)件上易落上厚厚的灰塵，會對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生固相腐蝕；而在電解車間或者凈液車間霧氣會在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上形成冷凝液，會對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生液相腐蝕；而在廢酸處理車間、發(fā)煙酸車間或者酸庫等地方，結(jié)構(gòu)構(gòu)件則處酸霧氣中，受到氣相腐蝕。圖三 鋁合金網(wǎng)架油罐頂3）在工業(yè)建筑中，由于涉及的專業(yè)多，管線多，在現(xiàn)場不可避免會與結(jié)構(gòu)有碰撞或者需要增加支托，要切割或增加部分桿件（如支撐、次梁或者支架），鋁合金結(jié)構(gòu)要能可增加或者減少部分構(gòu)件。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)遇中國已經(jīng)是全球最大的鋁擠壓材生產(chǎn)國和消費國，至2014年底，我國約有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)格已開發(fā)出1萬余種，鋁擠壓材表面處理色彩達(dá)到600多種。目前我國鋁擠壓工業(yè)無論在裝備規(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。中國完全具備發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)條件。由于2008年起全球經(jīng)濟(jì)衰退的持續(xù)，使得國內(nèi)鋁材期貨價格從2003年2月19 440元t的最高價下滑到2016年1月下旬的10700元t，大幅萎縮接近50，制約鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要因素價格，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，能夠消化鋁合金過剩產(chǎn)能，增強(qiáng)中國建筑企業(yè)科技創(chuàng)新能力，提高企業(yè)自身的競爭力，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)對鋁合金結(jié)構(gòu)的抗火研究。目前對鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能研究已經(jīng)取得大量的成果，而對于鋁合金結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和整體抗火性能的研究有限。3）加強(qiáng)對鋁合金框架結(jié)構(gòu)的試驗和研究。鋁合金結(jié)構(gòu)由于材料與鋼材有很大的差異，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)計的方法和思路，充分發(fā)揮鋁合金結(jié)構(gòu)的特點。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，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)未來研究的重點有：鋁合金型材穩(wěn)定系數(shù)的選?。讳X合金結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的設(shè)計。鋁合金便于擠壓成型，未來可以設(shè)計出各種形式多樣的機(jī)械連接節(jié)點形式參考文獻(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，吳利權(quán) 鋼結(jié)構(gòu),2009,24(7):1-5。2 鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題 楊聯(lián)萍，韋申，張其林建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2013,34(2):1-19。3 王祝堂 資