近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造使用了鋁合金.但就金屬空間結(jié)構(gòu)建筑物的總體數(shù)量而言，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)仍占據(jù)主導(dǎo)地位，而鋁合金空間結(jié)構(gòu)只占到其中的一小部分.原因之一是工程造價(jià)的制約，鋁合金材料比鋼材價(jià)格貴，某些國(guó)家相同截面規(guī)格的鋁合金型材價(jià)格甚至達(dá)到鋼材的7～10 倍.結(jié)合密度、強(qiáng)度因素考慮材料造價(jià)，鋁合金材料將達(dá)到鋼材價(jià)格的3～4 倍; 原因之二是已建鋁合金空間結(jié)構(gòu)的數(shù)量遠(yuǎn)少于空間鋼結(jié)構(gòu)，因而包括建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在內(nèi)的從業(yè)者對(duì)鋁合金材料特性和鋁合金結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不足，習(xí)慣性采用鋼結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理念.

　　1. 1 鍛造鋁合金分類(lèi)及性能比較

　　鋁合金可分為鍛鋁和鑄鋁兩類(lèi).前者是對(duì)未熔化的鋁坯進(jìn)行熱加工或冷加工成型，后者是將熔化的鋁液倒入模具再將其鑄造成型.鍛造鋁合金牌號(hào)命名規(guī)則是由美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)( AA) 于1954 年提出的，現(xiàn)已被廣泛接受并采用，我國(guó)也采納并沿用了該命名方法，并借鑒美國(guó)規(guī)范的狀態(tài)代號(hào)制訂了相關(guān)規(guī)范.不同牌號(hào)的鍛造鋁合金的強(qiáng)度、延展性、耐腐蝕性等特性由于其化學(xué)成分( 鋁元素和其他少量添加元素) 含量的差異而有所不同，如圖1 所示，其中4xxx 系列主要用于焊接材料，未納入比較范圍.除化學(xué)成分的影響外，鍛造鋁合金的后續(xù)處理方法也會(huì)對(duì)其力學(xué)性能帶來(lái)很大影響.在各系鋁合金中，2xxx、6xxx 和7xxx 系列是可熱處理鋁合金，通常使用熱處理加工方法( T) ; 其他各系為非熱處理鋁合金，常使用冷加工硬化( H) 等方法進(jìn)行處理.6xxx 系列中含有鎂和硅元素，該系列鋁合金具有良好的耐腐蝕性和與Q235 鋼材相近的強(qiáng)度，并且易于擠壓成型，建筑結(jié)構(gòu)中使用的大部分鋁合金型材均屬該系列，如6061-T6 鋁合金，被廣泛應(yīng)用于鋁合金空間結(jié)構(gòu)中.

　　1. 2 結(jié)構(gòu)用鋁合金材料性能及其優(yōu)缺點(diǎn)

　　鍛造鋁合金與結(jié)構(gòu)用鋼相似，都具有很好的延展性，高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度甚至可與高強(qiáng)鋼相比，但其延性略差.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋁合金與鋼材有諸多相似點(diǎn)，同時(shí)也存在著差異，以下通過(guò)對(duì)比分析鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)缺點(diǎn).

　　鍛造鋁合金密度為( 2.67～2.80)×103 kg /m3，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為使用方便通常近似取為2.70×103kg /m3，而結(jié)構(gòu)用鋼材密度為7. 85×103 kg /m3，約為鋁合金密度的3 倍.鍛造鋁合金由于其牌號(hào)差異，彈性模量為( 69.6～75.2)×103 MPa，鋼材為205×103 MPa，亦為鋁合金的3倍.鋁合金的彈性模量隨環(huán)境溫度的升高而減小，在100℃時(shí)減至67×103MPa，升溫至200 ℃ 時(shí)則減至59×103 MPa.在室溫下鋁合金的熱膨脹系數(shù)約為23×10－6/℃，為鋼材( 12×10－6/℃) 的2 倍，表明鋁合金結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的變化( 主要是升溫變化) 更為敏感，且隨溫度的升高，鋁合金熱膨脹系數(shù)也逐漸增大，在200℃ 時(shí)可達(dá)26×10－6 /℃.當(dāng)鋁合金構(gòu)件不受約束時(shí)，由溫度變化引起的變形更大，這在鋁合金空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)件及支座設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)加以注意.但由于彈性模量低，鋁合金構(gòu)件受到約束時(shí)，溫度變化引起的變形僅為同條件下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的2/3.

　　隨著溫度降低，鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率提高，其力學(xué)性能有較為穩(wěn)定的改善，且鋁合金在低溫環(huán)境中表現(xiàn)良好.鋁合金泊松比近似為1 /3，隨溫度降低略微減小，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以忽略該變化.

　　鋁合金可擠壓成型，采用獨(dú)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.鋁合金構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等可以進(jìn)行批量預(yù)制，再進(jìn)行裝配，這種生產(chǎn)模式對(duì)于具有大量重復(fù)特征桿件和節(jié)點(diǎn)的大型鋁合金空間結(jié)構(gòu)具有良好的適用性.另外，鋁合金良好的加工性能也使其能夠更好地滿(mǎn)足復(fù)雜建筑造型的要求.

　　鋁合金對(duì)于各種波長(zhǎng)的光線(xiàn)具有良好的反射率，外觀(guān)色澤好.由于鋁合金屋蓋對(duì)陽(yáng)光有高反射率，可保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部環(huán)境冬暖夏涼，所以鋁合金空間結(jié)構(gòu)被大量用于植物溫室、植物園展覽廳等建筑中.在建筑結(jié)構(gòu)中，鋁合金一般不需要專(zhuān)門(mén)的防腐處理，因?yàn)殇X合金自身在空氣中可形成致密氧化膜，使其具有良好的耐腐蝕性能.在游泳館和溜冰場(chǎng)等水蒸氣含量較高的體育館，采用鋁合金結(jié)構(gòu)可以很好地抵御水蒸氣的侵蝕，減少后期維護(hù)費(fèi)用.同樣，在石油化工、倉(cāng)儲(chǔ)等防腐要求較高的大型工業(yè)建筑中，鋁合金網(wǎng)殼也被大量應(yīng)用.綜上所述，鋁合金材料與鋼材相比自重輕、耐腐蝕并具有特有的功能.而結(jié)構(gòu)工程中充分發(fā)揮鋁合金上述優(yōu)點(diǎn)的是大跨度空間結(jié)構(gòu)( 如體育場(chǎng)、會(huì)議廳和禮堂等) 和長(zhǎng)期暴露于潮濕、腐蝕性環(huán)境的結(jié)構(gòu)( 如游泳館等).