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巩义铝板厂空间网格结构用铝合金材料特性

      近年来,国内外诸多大跨度空间结构的设计和建造使用了铝合金.但就金属空间结构建筑物的总体数量而言,传统的钢结构仍占据主导地位,而铝合金空间结构只占到其中的一小部分.原因之一是工程造价的制约,铝合金材料比钢材价格贵,某些国家相同截面规格的铝合金型材价格甚至达到钢材的7~10 倍.结合密度、强度因素考虑材料造价,铝合金材料将达到钢材价格的3~4 倍; 原因之二是已建铝合金空间结构的数量远少于空间钢结构,因而包括建筑和结构设计师在内的从业者对铝合金材料特性和铝合金结构认识不足,习惯性采用钢结构方案实现设计理念.

    1. 1 锻造铝合金分类及性能比较

    铝合金可分为锻铝和铸铝两类.前者是对未熔化的铝坯进行热加工或冷加工成型,后者是将熔化的铝液倒入模具再将其铸造成型.锻造铝合金牌号命名规则是由美国铝业协会( AA) 于1954 年提出的,现已被广泛接受并采用,我国也采纳并沿用了该命名方法,并借鉴美国规范的状态代号制订了相关规范.不同牌号的锻造铝合金的强度、延展性、耐腐蚀性等特性由于其化学成分( 铝元素和其他少量添加元素) 含量的差异而有所不同,如图1 所示,其中4xxx 系列主要用于焊接材料,未纳入比较范围.除化学成分的影响外,锻造铝合金的后续处理方法也会对其力学性能带来很大影响.在各系铝合金中,2xxx、6xxx 和7xxx 系列是可热处理铝合金,通常使用热处理加工方法( T) ; 其他各系为非热处理铝合金,常使用冷加工硬化( H) 等方法进行处理.6xxx 系列中含有镁和硅元素,该系列铝合金具有良好的耐腐蚀性和与Q235 钢材相近的强度,并且易于挤压成型,建筑结构中使用的大部分铝合金型材均属该系列,如6061-T6 铝合金,被广泛应用于铝合金空间结构中.

    1. 2 结构用铝合金材料性能及其优缺点

    锻造铝合金与结构用钢相似,都具有很好的延展性,高强铝合金强度甚至可与高强钢相比,但其延性略差.在结构设计中铝合金与钢材有诸多相似点,同时也存在着差异,以下通过对比分析铝合金作为结构材料的优缺点.

    锻造铝合金密度为( 2.67~2.80)×103 kg /m3,在结构设计中,为使用方便通常近似取为2.70×103kg /m3,而结构用钢材密度为7. 85×103 kg /m3,约为铝合金密度的3 倍.锻造铝合金由于其牌号差异,弹性模量为( 69.6~75.2)×103 MPa,钢材为205×103 MPa,亦为铝合金的3倍.铝合金的弹性模量随环境温度的升高而减小,在100℃时减至67×103MPa,升温至200 ℃ 时则减至59×103 MPa.在室温下铝合金的热膨胀系数约为23×10-6/℃,为钢材( 12×10-6/℃) 的2 倍,表明铝合金结构对温度的变化( 主要是升温变化) 更为敏感,且随温度的升高,铝合金热膨胀系数也逐渐增大,在200℃ 时可达26×10-6 /℃.当铝合金构件不受约束时,由温度变化引起的变形更大,这在铝合金空间结构的构件及支座设计、施工时应加以注意.但由于弹性模量低,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.

    随着温度降低,铝合金的抗拉强度和伸长率提高,其力学性能有较为稳定的改善,且铝合金在低温环境中表现良好.铝合金泊松比近似为1 /3,随温度降低略微减小,但在结构设计中可以忽略该变化.

    铝合金可挤压成型,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.铝合金构件和节点等可以进行批量预制,再进行装配,这种生产模式对于具有大量重复特征杆件和节点的大型铝合金空间结构具有良好的适用性.另外,铝合金良好的加工性能也使其能够更好地满足复杂建筑造型的要求.

    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,可保证结构内部环境冬暖夏凉,所以铝合金空间结构被大量用于植物温室、植物园展览厅等建筑中.在建筑结构中,铝合金一般不需要专门的防腐处理,因为铝合金自身在空气中可形成致密氧化膜,使其具有良好的耐腐蚀性能.在游泳馆和溜冰场等水蒸气含量较高的体育馆,采用铝合金结构可以很好地抵御水蒸气的侵蚀,减少后期维护费用.同样,在石油化工、仓储等防腐要求较高的大型工业建筑中,铝合金网壳也被大量应用.综上所述,铝合金材料与钢材相比自重轻、耐腐蚀并具有特有的功能.而结构工程中充分发挥铝合金上述优点的是大跨度空间结构( 如体育场、会议厅和礼堂等) 和长期暴露于潮湿、腐蚀性环境的结构( 如游泳馆等).

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