鋁合金材料在建筑結構中的應用研究進展

邢國華 王曉盼 李翔宇，2 張廣泰

（1.新疆大學建筑工程學院，烏魯木齊 830047；2.長安大學建筑工程學院，西安 710061）

0 引言

科技發展和社會進步使得人類對建筑結構的要求越來越高，但服役時間的增加、外力破壞、環境侵蝕及自然災害等因素卻降低了建筑結構的安全性、適用性和耐久性。隨著混凝土結構的耐久性問題受到越來越多的關注，提高結構使用性能并延長結構使用壽命成為建筑領域的關鍵目標［1］。目前，多采用鋼材或具有一定優越性的FRP 材料對混凝土結構進行加固補強和修復，但鋼材自重大、易銹蝕、后期維護費用大；FRP 延性和耐熱性差，為無明顯屈服點的各向異性材料。故綜合考慮材料自身性質、操作簡易性和經濟有效性，研究開發輕質高強、耐久性好的新型加固材料成為建筑結構領域亟待解決的問題。

20 世紀以來，鋁合金在材料科學中受到了廣泛關注，因其具有輕質高強、耐腐蝕、延性較好等鋼材和FRP 所不具有的優良特性，應用在復雜惡劣環境下的特殊建筑結構中有較強優勢，故可作為理想新材料應用于建筑結構領域。隨鋁合金加工工藝的發展和連接技術的改進，鋁合金材性不斷提高，被合理應用于建筑結構中適當降低了工程造價。鋁合金作為主體結構材料可應用于橋梁結構和空間結構，作為結構加固材料可用于加固混凝土結構。多年來，國內外相關研究人員已在鋁合金的制造工藝、連接設計、物理及力學性能和耐久性等方面開展了一系列基礎和應用研究，解決了一些傳統結構材料所不能解決的工程難題，并研究了鋁合金結構及鋁合金與其他材料的組合結構。

1 鋁合金材料的基本性能

鋁合金材料具有較為理想的物理、力學及耐久性能，幾種工程常用鋁合金的基本物理性能和力學性能指標匯總見表1和表2。

表1 鋁合金物理性能表Table 1 Physical properties of aluminum alloy materials

表2 工程常用鋁合金力學性能表Table 2 Mechanical properties of aluminum alloy materials commonly used in engineering

國內外學者對鋁合金的基本性能進行了較為系統的研究，J.A.Abdalla等［2］通過測定得到了5083-0鋁合金樣品的應力-應變關系，如圖1 所示。T.Kobayashi［3］介紹了鋁合金的斷裂和疲勞性能，指出疲勞和斷裂不能截然分開，明確認識斷裂和疲勞性能及微觀結構間的關系對鋁合金的設計和工程應用具有重要意義。

圖1 5083-0鋁合金的應力-應變曲線［2］Fig.1 Stress versus strain relationship of 5083-0 aluminum alloy

國外發達國家對鋁合金材料高溫耐火性能的研究較早，相對比較成熟完善，而國內對鋁合金高溫耐火性能的研究起步較晚，目前相關試驗成果少且零散，未能形成數據體系。陳志華等［4］對6061-T6 和7075-T73 鋁合金火災后的力學性能進行試驗研究，結果表明：溫度超過300 ℃后6061-T6 鋁合金火災后的屈服強度和極限強度迅速下降，溫度達到450 ℃時其強度最低。但隨著暴露溫度的升高，其強度均出現明顯的回升趨勢。7075-T73 鋁合金的強度變化趨勢與6061-T6 鋁合金相似，但其更易受暴露溫度的影響。

高強度鋁合金能在極低溫度下保持強度、韌性和延展性，是多用于低溫環境的主要結構材料。但與鋁合金高溫性能的研究相比，國內外目前對于鋁合金低溫性能的研究相對較少。K.T.V.Rao等［5］研究了鋁合金的低溫強度-韌性關系，了解了鋁合金低溫斷裂韌性的主要微觀機制。郭小農等［6］對鋁合金的低溫力學性能試驗研究表明：低溫下鋁合金會出現加工硬化現象，其抗拉極限強度和名義屈服強度均隨溫度的降低而增加，但低溫對其斷后延伸率和斷面收縮率的影響甚微。

隨著鋁合金材料在混凝土結構中的應用，兩種材料間的相互作用也受到了廣泛關注。J.A.Abdalla等［7］對外貼鋁合金板混凝土試件進行面內單剪試驗和理論分析，結果表明：粘結層剪切應力隨鋁合金表面粗糙度和粘結長度的變化而變化，對粘結界面進行處理或將與混凝土粘結的鋁合金板表面粗糙化，可提高鋁合金板-混凝土界面的粘結性能。姜德文等［8］通過對不同變量條件下的試件進行雙剪試驗，得到了試件剝離承載力、粘結界面破壞機理及界面粘結-滑移性能的演化規律，提出了三種無機膠粘貼鋁合金板-混凝土界面的粘結-滑移本構關系模型。

2 鋁合金材料在建筑結構中的應用

我國《鋁合金結構設計規范》［9］指出：近幾十年，鋁合金作為一種具有諸多優點的新型建筑材料，可適應惡劣的建筑環境及現代工程結構的發展趨勢，在結構工程應用中發展迅速。設計鋁合金結構應從工程實際出發，合理選用材料、結構方案和構造措施，滿足結構構件在運輸、安裝和使用過程中的強度、剛度和穩定性要求，并符合防火和防腐蝕等要求。

2.1 鋁合金作為主體結構材料的應用

2.1.1 鋁合金在橋梁結構中的應用

在橋梁結構中應用鋁合金可追溯到1933 年。鋁合金不僅可用于橋梁局部受力構件的附屬構造和舊橋面系統的翻新與更換，還可用于橋梁的主體結構。20世紀60年代初，可擠壓性和焊接性強的新型鋁合金被應用到鋁結構中，鋁合金梁與混凝土橋面復合結構技術也得到了發展，美國和法國一些橋梁的建造都采用了鋁合金-混凝土復合體系。楊建國等［10］對一座鋁合金桁架式人行天橋進行荷載試驗，檢驗了其承載性能和施工質量，表明高強鋁合金可應用于大跨度人行天橋工程。鋁合金在橋梁結構中的典型應用實例如表3 和圖2所示。

表3 鋁合金在橋梁結構中的應用實例Table 3 Application examples of aluminum alloy in bridge structures

圖2 應用鋁合金的橋梁Fig.2 Bridges using aluminum alloy

2.1.2 鋁合金在空間結構中的應用

A.Formisano 等［11］介紹了將鋁合金應用于建筑工程主體結構的一些優勢，總結了他本人近年來在鋁合金結構設計和創新方面尤其在鋁合金構件、節點及抗震裝置等方面的一些研究成果，強調了在建筑工程主體結構中用鋁合金替代鋼的應用潛力。將鋁合金作為主體結構材料應用于大跨度空間結構具有較大優勢，其在空間結構中的典型應用實例如表4和圖3所示。

圖3 應用鋁合金的空間結構Fig.3 Spatial structures using aluminum alloy

表4 鋁合金在空間結構中的應用實例Table 4 Application examples of aluminum alloy in spatial structures

2.2 鋁合金作為結構加固材料的應用

2.2.1 鋁合金筋配筋混凝土梁

目前，國內外關于用鋁合金筋替代鋼筋作為受力筋來加固混凝土結構的研究開展尚少，其應用可行性和有效性的相關試驗研究也相對較少。邢國華等［12］通過對鋁合金配筋新型混凝土梁進行四點彎曲單調靜載試驗，分析了各梁的破壞過程及破壞機理，研究了用鋁合金筋替代鋼筋作為底部縱筋加固混凝土梁的性能和可行性，并采用改進的截面分析和拉壓桿模型對鋁合金筋加固梁的受彎和剪切破壞模式進行了承載力預測。鋁合金配筋新型混凝土梁中所使用的鋁合金筋與普通鋼筋對比如圖4所示。

圖4 鋁合金筋與普通鋼筋對比［12］Fig.4 Comparison between aluminum alloy bar and steel bar

2.2.2 外貼鋁合金板加固鋼筋混凝土梁

近年來，將鋁合金用作外貼加固材料逐漸發展流行起來，外貼鋁合金板可有效抑制鋼筋混凝土梁裂縫的開展，并提高梁的抗彎強度和延性。A.Abu-Obeidah 等［13］對外貼鋁合金板剪切加固受損梁進行四點彎曲試驗，結果表明：外貼鋁合金板加固可提高鋼筋混凝土梁的強度和延性。J.A.Abdalla 等［14］對外貼鋁合金板加固梁的研究表明：鋁合金板可替代鋼板或FRP 板作為外貼加固材料，并可有效提高鋼筋混凝土梁的抗剪承載力，且外貼加固時鋁合金板的粘貼方向會顯著影響梁的延性和承載力。許穎等［15］通過四點彎曲試驗和數值模擬發現：外貼鋁合金板對鋼筋混凝土梁的抗剪加固效果和強度利用率隨損傷程度的增加而下降。常見的外貼加固方式如圖5所示。

圖5 外貼鋁合金板抗剪加固鋼筋混凝土梁［2］Fig.5 Shear strengthening of reinforced concrete beams using externally-bonded aluminum alloy plates

2.2.3 嵌入式鋁合金筋加固鋼筋混凝土梁

外貼加固的局限性之一在于外貼加固材料暴露于環境中，容易從混凝土結構表面剝離。故基于外貼加固的研究基礎，相關研究人員開始探索研究嵌入式鋁合金筋加固技術的應用和優越性。嵌入式加固的方式如圖6所示。

圖6 嵌入式鋁合金筋加固鋼筋混凝土梁［16］Fig.6 Reinforced concrete beams strengthened with nearsurface mounted aluminum alloy bars

邢國華等［16］通過對不同參數變量下的6 根鋁合金筋嵌入式加固鋼筋混凝土梁的靜力加載試驗得出：嵌入式鋁合金筋加固梁的剛度和抗彎承載力均有所提高，且均呈現延性破壞模式。茍海剛等［17］通過對鋁合金筋嵌入式加固鋼筋混凝土梁的單調靜載試驗發現：鋁合金筋嵌入式加固梁受拉鋼筋屈服后的變形能力好，發生延性破壞且受彎承載力有所提高。于曉光等［18］對不同鋁合金筋配筋率及端部環包碳布錨固條件下的4 根鋁合金筋嵌入式加固混凝土梁進行研究，結果表明：鋁合金筋嵌入式加固可顯著提高梁的承載力，環包碳布錨固可在提高梁承載力的同時防止加固筋發生剝離，提高位移延性。

2.2.4 體外預應力加固鋼筋混凝土梁

鋼絞線和高強鋼絲用于體外預應力筋加固結構時暴露出自重大、易銹蝕等缺陷。高強鋁合金筋的極限應力雖然比鋼絞線和高強鋼絲低，但其由于諸多其他優點而在特定環境下具有較強優勢，可將其作為低溫侵蝕等特殊環境下的體外預應力加固材料以達到良好的加固效果。宋啟璽［19］通過對鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁受力性能的研究分析，提出了鋁合金筋體外預應力加固梁的正截面極限承載力計算公式和體外預應力筋的配筋計算公式，并利用有限元軟件對梁的受力全過程進行有限元模擬分析，通過比較試驗結果和分析結果，驗證了模型的準確性。邢國華等［20］通過對鋁合金筋體外預應力加固混凝土構件受力性能的有限元分析得出：與傳統體外預應力加固梁相比，鋁合金筋體外預應力加固梁的極限承載力和延性都有所提高，變形性能也有所改善。

2.3 鋁合金與其它材料的組合結構

2.3.1 鋁合金管混凝土組合結構

在鋁合金管中填充混凝土可形成鋁合金管混凝土新型組合結構，鋁合金管混凝土和傳統混凝土柱相比有一定的優勢，可有效利用兩種材料的優點，提供高強度和高剛度。M.A.Al-mazini 等［21］通過對鋁合金方管混凝土短柱的軸心受壓試驗分析了其承載力的變化特點，并借助有限元軟件建立了柱的模型且驗證了模型的有效性。李翔宇等［22］基于鋼管混凝土柱軸壓承載力的常用計算理論提出了7075 鋁合金管混凝土柱軸壓承載力的計算方法，并借助有限元軟件對鋁合金管混凝土柱的軸壓性能進行了數值模擬計算及驗證。張紀剛等［23］結合鋁合金結構的諸多優點提出了一種新型鋁合金管混凝土組合海洋平臺，并對其頻率變化和抗震性能進行了研究。

2.3.2 鋁合金-FRP組合結構

鋁合金與FRP 材性各有所長，將其合理組合可設計出力學性能更優、形式更多樣、性價比更高的新型構件與結構，進而推動鋁合金材料在建筑結構中的應用與發展。錢鵬等［24］證明了鋁合金與FRP組合使用可在保持鋁合金延性特征的同時顯著提高構件的剛度和承載力，介紹了鋁合金-FRP新型組合結構的應用，認為將兩種材料搭配使用可揚長避短，使更大跨度和高度的工程結構有望實現。陳宇等［25］對CFRP 加固鋁合金圓管混凝土進行純面內彎曲試驗，結果表明：用CFRP 加固的鋁合金管混凝土試件其極限強度有所提高，但延性有所下降。CFRP 加固鋁合金圓管混凝土如圖7所示。

圖7 CFRP加固鋁合金圓管混凝土［25］Fig.7 CFRP strengthened concrete-filled aluminium alloy CHS tubes

3 鋁合金應用的發展趨勢預測

為推動鋁合金材料在建筑結構領域的發展與應用，需對其存在問題和發展方向進行更深入的探索研究。

（1）關于材料性能：進一步研發合適的合金元素含量和合金材料種類，可更大程度地改善鋁合金材料性能并保證多重優勢性能的組合。應用于建筑結構中的鋁合金可能處于諸如高溫或低溫、高濕和高腐蝕性等惡劣條件耦合作用的復雜惡劣環境中，因此亟需通過科學的分析手段交叉融合各學科相關知識，從宏觀和微觀層次分析其在惡劣極端條件下性能的衰變規律和劣化機理，從而研究采取合適的技術方法以提高結構的使用性能和耐久性。

（2）關于工程結構設計：在未來研究中，探討如何將鋁合金更好的應用于混凝土中，將兩者優勢互補以增強混凝土結構的整體性能具有重要的研究意義和應用價值。此外，可進一步考慮將鋁合金同其它優異材料組合使用，協同工作以共同加固混凝土結構，使混凝土結構的使用性能得到有效改善。還可在應用鋁合金方面不斷進行設計創新，開拓發展各類新型適用、經濟美觀的鋁合金結構及鋁合金與其它材料的組合結構。

（3）關于循環利用：鋁合金的循環利用率高，其正?；厥章蕿?0%左右，個人和其他渠道回收率在70%左右。但傳統回收技術基本無預處理，造成環境污染，因此需針對鋁合金材料的特性與建筑節能科學進行交叉研究，采取更合適的回收新技術盡可能使鋁合金的回收利用率達到最高的同時減少環境的污染。

（4）關于相關規范的完善：鋁合金相關規范的制定在國外已相對成熟［26］，但我國相關規范較為匱乏，不僅阻礙了鋁合金結構在國內的應用和發展，也突出了我國需加快編制鋁合金結構設計規范的必要性，而現已建成的各種鋁合金結構均為編制工作提供了寶貴的工程實踐資料。同時在現行規范GB 50429—2007《鋁合金結構設計規范》中還有諸多值得改進和完善之處，有必要在相關工程實踐中發現問題，繼續深入開展其研究工作并做補充。

4 結論

近年來，鋁合金材料在建筑結構領域越來越受到重視，本文結合國內外學者對鋁合金材料在建筑結構中應用的研究進展，著重對鋁合金作為主體結構材料、結構加固材料及其與其它材料組合使用等方面進行了歸納和分析，得出了以下結論：

（1）鋁合金因輕質高強、延性和耐腐蝕性好等優點，在建筑結構領域得到了廣泛應用，將其作為主體結構材料或結構加固材料應用于低溫侵蝕環境的建筑結構中不僅可改善結構性能，而且其應用操作簡易，順應綠色環保的要求；將鋁合金同混凝土和FRP 材料組合使用優勢互補，可降低工程造價，具有良好的經濟效益和社會效益。

（2）人們對鋁合金基本性能的認識仍在逐步加深，除基本的強度、剛度、與混凝土的粘結性能外，關于疲勞、斷裂、高溫和低溫性能等的研究仍在逐步深入完善。

（3）鋁合金基本結構與構件形式逐步多樣化，可應用于橋梁結構及大跨度空間結構；可制成鋁合金板或鋁合金筋應用于混凝土結構的加固；也可制成鋁合金管在內部填充混凝土形成鋁合金管混凝土組合結構，還可考慮開拓發展鋁合金-FRP組合結構。

（4）未來還需對鋁合金及其結構的組成材料高性能化、多因素耦合作用下的耐久性、全壽命周期的設計、成本最優化及其作為綠色建筑材料的回收利用技術等方面進行深入研究，同時對其進行長期服役監測。

（5）為促進鋁合金及其結構的科研成果在實際建筑結構中的推廣應用，需盡快制定完善產品技術標準和相關設計規范，規范鋁合金市場，促進其健康高速的發展。