结构材料系列—铝合金
Henry doorly zoo desert dome（美国加州 2002）
铝是地球上最丰富的金属元素，占地壳总量的百分之七点五。 但由于铝的冶炼难度大，曾经极为稀有，价值更胜黄金。一百多年前，英国皇家学会制作了一个比黄金还要贵重的奖杯——铝杯，赠送给俄国化学家门捷列夫（制成第一张元素周期表），以表彰他在化学领域的杰出贡献。
直到1886年，美国的Charles Martin Hall和法国的L . T . Heroult分别独立发明了电解铝的冶炼技术，此法投产后，金属铝的产量才迅速增长，价格大幅度下降，从此走进了寻常百姓的日常生活中。
铝在建筑业中的应用已有100多年的历史，最早是作为建筑装饰材料，比如门窗框、玻璃幕墙框架、建筑外包铝板、建筑直立锁边屋面等。上世纪30年代，铝合金用于建筑物的承重与维护结构中；现今铝合金已成为除了钢材之外用量最大的建筑金属材料，每年世界铝产量的27%左右被用于建筑；目前铝合金作为承重结构材料的应用越来越多，例如桥梁、仓储、空间结构等。
1951年，英国建成世界上第一座铝合金穹顶“Dome of Discovery”,网壳直径111m，高度27m，在当时是世界上最大的穹顶。
Dome of discovery（英国伦敦 1951）
The construction of the Dome of discovery
纯铝的延性好但强度低，一般仅用于常温下的低应力结构。为了改善纯铝的性能，人们通过在纯铝中添加各种金属元素制成各式各样的铝合金，结构用铝合金通常是铝、镁、硅的合金。
铝合金设计树
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，结构常用铝合金为锻铝。锻造铝合金牌号通常由四位数字表示，命名规则是由美国铝业协会( AA) 于1954 年提出的。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。
其中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建筑结构中。
建筑用锻造铝合金型材
铝合金与钢的力学性能对比
同为金属材料，铝合金与我们熟识的钢材性能相似。因此，小i就把铝合金与钢的力学性能进行对比，让各位有一个直观认识。
钢结构设计大家已驾轻就熟了，下面小i通过将铝结构与钢结构类比，简要介绍一下铝合金结构设计的特点。
密度低
铝材的密度大约等于钢材的三分之一，在自重占比较大的建筑结构设计中，这无疑是一个比较大的优势，因此铝合金结构通常给人以外观轻盈的感觉。
弹性模量低
铝合金的弹性模量只有钢的三分之一，所以铝合金比钢结构更容易屈曲，规范中稳定系数也比钢结构要低很多（联想我们常见的易拉罐）。因此，变形和稳定性是铝合金中更常见的问题，其材料轻的优点也被大变形所抵消。
可焊性差
钢结构焊接设计时焊缝可以做到与构件等强，而铝合金焊接会大幅降低材料的强度与延性，因此在铝合金的连接中多用机械连接。在实际设计当中，不能焊接将会让习惯钢结构设计的工程师很难适应，比如想在构件上连一块连接板，则需要加开螺栓孔，而螺栓孔会削弱构件强度，此时工程师的内心是奔溃的。
挤压成型
铝合金材性很软，因此与传统钢结构的制作常用轧制与焊接不同，铝合金通常采用挤压成型。上帝关闭一扇门总会打开一扇窗。独特的挤压工艺可制作出各种复杂截面的构件，我们所需的各种连接件都可以通过挤压与主结构做到一体化成型。同时，铝合金构件和节点等可以进行批量预制，再进行装配，这种生产模式很适用于我们现在所提倡的工厂化装配结构，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。
耐腐蚀
铝合金还有一大优势，铝合金自身在空气中可形成致密氧化膜，因此铝合金一般不需要专门的防腐处理。相比钢结构，就省去涂装的费用，同时也减少了后期维护费用。因而，铝合金常被用于游泳馆、石油化工等腐蚀性要求较高的建筑。
murray athletic center（美国纽约州 1973）
Reynolds Forest Aviary
（美国北卡罗来纳州 1982）
线膨胀系数大
铝合金线膨胀系数约为钢结构的2倍，叠加铝合金低弹性模量低强度的特点，温度效应在设计中将比钢结构更为突出，对于超长的铝合金结构，温度效应很可能成为主控荷载工况。
Carla-Boeklin（美国 2015）
回收率高
同时铝合金材料易回收，再处理成本低，再利用率高，回收价值高，属于节能环保绿色材料。实际制作当中的边角料都可以以相对较高的价格回收，降低了铝合金结构的损耗成本。
由于铝合金具有重量轻、美观、耐久性好、易于养护和容易加工等一系列优点,使它在建筑工程中得到了越来越多的推广应用。铝合金桥、铝合金穹顶等结构亦成为近年来结构设计的热点。下面小i为大家列出国内外有代表性的铝合金案例，与大家分享交流。
铝合金桥梁
铝合金结构桥在桥梁工程中的应用已经有70多年的历史了。世界上第一座全铝结构的桥于1946年在美国的纽约马塞纳附近建成。1950年加拿大魁北克省阿尔维达建成了一座铝合金上承式拱桥,主跨88.6m，矢高14.5m，矢跨比约1/6，桥梁全长153m，桥面宽10.36m，拱圈、拱上立柱、桥面板均采用2014一T6铝合金制造，自重约150吨,较原计划修建的钢拱桥，重量减轻56%。到目前为止，该桥保持世界铝合金桥跨度记录，并且仍在使用之中。
arvida bridge（加拿大魁北克 1950）
铝合金桥和一般钢桥相比有自重轻、防腐、回收成本低等优点，因此可以节省运输、吊装、防腐、维修等费用。同时，材料强度和材料密度比高，可利用较小的重量的增加获得较大的承载力，有效的增强了桥梁承受活载的能力，在现有桥梁加固中十分有利。
但由于铝合金的弹性模量小，刚度问题在设计中会成为比较突出的问题，因此限制了其在大跨度、重载荷桥梁中的应用。同时，铝合金材质较软,容易出现划痕,在反复荷载作用下容易在划痕范围内产生疲劳损伤。
铝合金空间结构
从铝合金国内外空间结构案例情况中可以看出，铝合金主要被用于以压应力为主的球壳结构，小i认为这主要是铝合金连接节点特殊构造的原因。由于焊接会造成铝合金强度大幅下降，铝合金常用的连接方法是圆盘连接。即采用螺栓将上下弧形圆盘盖板和杆件上下翼缘连接，而腹板不连接。
铝合金圆盘连接节点
这种连接方法注定节点无法做到与构件等强，且节点抗剪性能弱。因此，不适合用在以受弯为主的梁式结构，及拉应力为主对节点需求要求较高的张力结构。而球壳结构当内以压应力为主，构件设计均为稳定控制，对节点需求低。因此，铝合金结构特别适合用于受压为主的球壳结构。
Hawaiian Village Hotel Kaiser dome
（直径44.2m 美国夏威夷 1957）
aviodrome museum of schiphol airport
（直径68m 荷兰阿姆斯特丹 1971）
Epcot spaceship earth at walt disney world orlando（直径50m 美国佛罗里达州 1982）
上海马戏城（直径50.6m 上海 1999）
一般结构，主结构与维护结构之间需要中间转换次结构（檩条）。由于铝合金结构为挤压成型，因此可将维护结构与主结构直接联锁。简化构造层，减少施工环节，降低材料用量，提高施工速度。如henry doorly zoo desert dome为铝合金外覆膜结构，即在挤压主材时将膜结构连接卡口一体挤压成型。
铝合金一体化连接构造
henry doorly zoo desert dome
（直径76.2m 美国加州 2002）
近年来随着计算技术突飞猛进的发展，及铝合金加工安装技术的日益成熟，铝合金结构被用于国内外更多新型、大型项目中。如新建成的 British airways i360，即为铝合金与玻璃结构的组合，外表极为通透轻盈。
British airways i360（162米高 英国 2016）
牛首山佛顶宫主体为铝合金结构，外覆异形铝板装饰，铝穹顶尺寸147mx98m。大穹顶建筑长度251米，构件最大高度550mm，为单层铝合金网壳，跨度创造了铝合金结构世界第一。
牛首山佛顶宫（南京 2016）
铝合金结构经过半个世纪的发展，无论是从计算理论还是工程应用都日益成熟，同时随着铝合金材料价格的逐年降低，其经济性方面的综合优势也日益明显。通过今天粗略的介绍，希望大家在往后的设计当中如碰到体型合适的建筑物，脑中可以闪过铝合金结构的选项。
由于铝合金结构为新材料，小i亦是边学边总结，如有各位感兴趣的地方或纰漏不足，都欢迎大家在文末留言交流。
参考资料：
1.ALUMINUM STRUCTURES（A Guide to Their Specifications and Design）
J. Randolph Kissell, Robert L. Ferry.
2. 铝合金空间网格结构研究现状及关键问题. 杨联萍等.
3. 铝合金结构的连接及其设计方法的分析. 张贵祥等.
4. 铝合金结构研究现状简述. 沈祖炎, 郭小农等.
5. 建筑结构 — 铝合金结构在大跨度建筑领域的应用.
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_alloy.
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Dome_of_Discovery.
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