鋁合金在空間結構中的應用特性分析

周玲

摘要：鋁合金材料有自重輕、耐腐蝕性能好、免維護等優點，是理想的用于大跨度結構的材料。但由于鋁合金材料彈性模量較低，結構剛度較弱，用鋁合金材料建造的大跨度建筑結構是否具有足夠的承載力，是結構優化設計需要解決的主要問題。本文考慮預應力的融合來提高鋁合金網架的整體剛度，來揚長避短體現鋁合金材料的優勢，以此進一步發揮鋁合金材料在空間結構上的應用潛力。

關鍵詞：鋁合金材料;空間結構;預應力;力學特性

1空間結構簡介

1.1空間結構發展現狀

二十世紀的工業革命推動了全球的建筑科學技術的發展，其中空間結構在此時期也有了突破性的進展，與平面結構相比較，空間結構具有剛度大、抗震性好、易回收、受力合理、經濟、自重輕等明顯優勢，并且從美學角度講，形式新穎、設計生動活潑彰顯藝術氣息，達到結構與建筑美學的完美結合。

1.2空間結構的類型

空間結構是近年來發展極為迅速的一類新型結構，尤其是本世紀以來種種空間結構形式也是豐富多樣式的涌現，這也在極大程度上增進了空間結構理論的進步。空間結構雖然形式型繁雜、樣式多變。但可按結構體系分類，空間結構一般分為三種基本類型：實體結構類——板結構、薄殼結構。它們一般是鋼筋混凝土實體結構。近些年應用較少;網格結構類——網殼結構、網架結構。它們一般是由桿件按照一定的規則組成的網格狀高次超靜定空間桿系結構;張力結構類——薄膜結構、懸索結構。它們一般是預先施加張力對膜或索從而形成結構體系，常用的空間結構構件主要是型鋼、高強鋼索及膜材。

2鋁合金材料的應用現狀

2.1鋁合金材料在空間結構中的發展現狀

鋁合金在建筑業中的應用已經有100多年的歷史，通常為人們所熟悉的是它作為建筑裝飾材料的應用，比如鋁合金門窗外框等。歐美一些國家從上世紀50年代開始研究使用鋁合金結構，目前已經形成了自己的產業，如在美國便存在十多個公司專注于鋁合金結構，較有名的有Conservatek，Temcor等，都是專業經營鋁合金結構的制作、設計以及安裝一條龍的企業。我國在這方面起步較晚，但近些年來發展迅速，建造了很多鋁合金結構的建筑。

2.2鋁合金在空間結構中的應用

鋁合金在空間結構中的應用依然是一種新潮流趨勢。它作為一種在建筑領域新興的材料，輕盈、耐腐蝕，且有著其它建材不可替代的明顯優點，與此同時因其固有屬性使鋁合金應用于建筑上，有著造型新穎、外型美觀，把當代鬼斧神工的精湛工藝體現的淋漓盡致，附有較強的現代藝術感。在航天航空、體育、演藝、環保等一系列大跨標志性建筑領域里，應用前景十分廣闊。鋁合金應用在建筑領域的明顯優勢總結如下：（1）降低結構的自重;（2）降低交通運輸造價及安裝便捷;（3）建筑的使用年限有所提高;（4）改良建筑的使用性;（5）提高房屋的質量;（6）保障低溫結構工作的穩定性。可以看出，鋁合金材料在工程結構領域里必將成為世界上舉足輕重的建筑材料，其發展空間也是一片光明。

3鋁合金空間結構的力學特性分析

3.1預應力空間結構

因鋁合金材材料具有彈性模量低等屬性，為克服這一問題，故考慮在空間網格結構中引入預應力的融合來提高網架的整體剛度，來揚長避短體現鋁材的優勢。預應力空間結構主要是空間網格結構。指將預應力技術同網殼、網格、懸索等結構，由桿件和拉索所構成的張力結構、立體桁架結構等大跨度空間鋁合金結構有機結合起來，由此構成的一類新型的預應力大跨空間結構體系，對于改良結構特性、提高經濟效益效果十分顯著。

3.2預應力技術融入鋁合金空間網格結構中的力學特性

3.2.1降低設計內力的水平

使得更好達到設計人員所期望的內力分布、結構剛度和撓度控制等要求。通過單次的引入與結構內力幅值符號互異的預應力來對消或減弱結構內力高峰;

3.2.2材料強度這一屬性可以充分發揮，從而提高承載力

對于普通結構，應力值是從零計且不考慮自重因素，結構在受外荷載時，桿件從無到有開始受力直到桿件應力值達到材料的抗拉或抗壓極限。而通過受拉的桿件導人相反的預壓力，再來施加荷載抗拉能力明顯可以提高，原理如下圖1.1所示。

3.2.3提高結構剛度、穩定性且改善其動力性能

引入預應力會得到一個與外荷載作用而產生的相反方向的位移，故提高了結構的剛度。施加預應力后而得到的反方向位移類似于結構的起拱，在外荷載作用下，起拱結構可對原始的位移撓度進行抵消，位移撓度通過線性疊加計算便可得到新的位移撓度。從這個理論來說，施加預應力可以大大提高結構的剛度，如圖1.2所示。

4結束語

鋁合金網架結構在如今全面建設的社會環境下，有著不可替代的地位與舉足輕重的作用，傳統網架就擁有著多向受力、便于施工、較一般平面結構有較大剛度的優點。拉索預應力技術在空間網格結構上的應用雖然只走過二十多年，但是發展速度迅猛，且前景相當可觀。如今大跨度空間結構的發展勢態迅猛，這就為預應力拉索空間網格結構提供了廣闊的市場與光明的前途。