铝合金材料因其较轻的质量、良好的强度和卓越的耐腐蚀性能, 在建筑和结构工程中获得了广泛应用。绝大部分的建筑幕墙型材和大型金属屋面板材均采用铝合金材料。除此之外, 铝合金材料在人行桥梁、门式刚架、空间网格结构中也已获得了较多应用, 其中, 空间网格结构是铝合金材料应用最为广泛的结构类型。而在铝合金网格结构中, 板式的TEMCOR节点已成为主流节点形式。近年来, 随着产能增加, 已经开展了铝合金材料在塔架等结构中的应用研究。

我国首部国家标准GB50429—2007《铝合金结构设计规范》于2007年颁布并正式实施, GB50576—2010《铝合金结构工程施工质量验收规范》于2010年颁布并正式实施。《铝合金结构设计规范》主要参考了欧洲铝合金结构设计标准, 是在大量针对轴心受弯、压弯和拉弯等基本构件, 对焊接、螺栓连接等连接件及连接节点进行试验研究和数值分析的基础上编制完成的。但限于当时条件, 无论是设计规范还是施工质量验收规范均没有针对不同的结构体系进行设计和施工验收方面的规定。

本文介绍了铝合金结构在我国人行桥梁、门式刚架和空间网格结构中的工程情况, 对应用最广的铝合金空间网格结构TEMCOR板式节点的研究作了简要介绍, 对铝合金结构在我国进一步应用发展应做的工作提出了建议。

铝合金材料最早应用于人行桥是1933年美国匹兹堡斯菲尔德区的跨河桥, 其桥面板采用了铝合金材料。1946年, 美国纽约建成了全球首座全铝人行桥。1946—1963年, 美国共建成了9座铝合金人行桥, 其中尚有8座仍在使用。

1949年, 加拿大魁北克省阿尔维达建成了跨越塞右奈河的铆接铝拱桥, 跨径88.4m, 桥墩高约15m, 2个车行道。所用的铝合金为2014-T6, 总重163t。1949—1985年, 英国建造了约35座铝合金结构桥梁;1950—1970年, 德国建造了约20座铝合金结构桥梁。

我国于2006年建成的杭州市庆春路人行天桥是首座铝合金人行桥, 材料进口于德国, 牌号Al Mg Si1 (F31) EN AW 6082-T6, 由德国设计和安装, 主跨36.81m, 重11t。2007年建成的天津市蚌埠海河桥桥面板采用了6005-T5铝合金型材, 标准面板长5m、宽0.25m, 由27mm厚的上部翼缘板和3mm厚且底部带有加强的马蹄形构造的肋板组成, 桥长192m。2007年建成的上海徐家汇人行天桥由国内自主研发和生产装配, 采用6061-T6, 自重15t, 载重50t, 长度33m, 宽6m, 拱形矢高2.7m。2008年建成的北京西单商业区人行桥, 主桥长84m, 主跨38.1m, 宽8m, 两侧4个方向共8部上行电动扶梯, 采用AW6082-T6铝合金。2013年建成的杭州新解百“口”字形人行桥, 总长217.55m, 宽4.8m, 重226t, 可满足4 000余人同时通行, 采用6082-T6型材。2015年, 南宁市建成了2座人行桥, 至2018年当地计划建成20座铝合金人行桥。2018年, 北京启动了将已建成投入使用多年的东单南北钢天桥更换为铝合金天桥, 如图1所示。

铝合金门式刚架最早来自德国, 在国内的临时建筑 (展厅、仓库等) 中开始应有。近年来, 铝合金门式刚架已逐渐拓展应用到永久建筑中。

2015年建成的上海浦东世博源洛克公园体育馆跨度25m, 边高8m, 弧形屋面, 屋面、墙面围护材料为PVC膜, 面积25m×36m, 主体梁柱铝用量约10.2t。同年建成的山西省实验中学篮球馆跨度35m, 边高6.5m, 局部2层, 屋面围护材料为PVC膜, 墙面为彩钢板系统, 面积35m×90m, 主体梁柱铝用量约30t。2016年建成的合肥安徽省自营进口商品直销中心展厅跨度30m, 边高6.8m, 屋面围护材料为充气膜, 墙面为玻璃幕墙, 面积30m×80m, 主体梁柱铝用量约21t。同年建成的东莞马士基临时仓库跨度30m, 边高6.8m, 屋面围护材料为PVC膜, 墙面为彩钢板系统, 面积30m×90m, 主体梁柱铝用量约20t。2016年建成的上海克虏伯不锈钢展厅跨度20m, 边高5.4m, 屋面围护材料为充气膜, 墙面为模块玻璃墙, 面积20m×35m, 主体梁柱铝用量约6t。2017年建成的中农临时仓库跨度40m, 边高5.4m, 屋面围护材料为PVC膜, 墙面为彩钢夹芯板, 面积40m×106m, 主体梁柱铝用量约35t, 如图2所示。

铝合金门式刚架的连接和构造已经实现了标准化、产品化和装配化。梁柱节点和屋脊节点一般采用内插芯材、外覆加强板的构造方式, 柱脚采用销轴铰接连接, 支撑构件为钢拉杆, 围护面材选用PVC膜、彩钢板等轻质材料。

自1996年起, 铝合金网格结构开始在国内得到应有。最早的铝网格结构是采用TEMCOR板式节点的成套美国技术、产品和系统。1996—2010年, 除了美国系统外, 国内相关单位也尝试采用螺栓球网架、插接榖式节点、铸铝节点、螺栓连接桁架等体系 (见图3) 。表1列举了1996—2010年国内建成的部分铝合金空间网格结构工程。

2010年以来, 铝合金网格结构在我国开始进入快速发展阶段, 建筑外形由单一规则穹顶发展成为自由曲面形式, 结构跨度以及构件截面也随之要求不断增大, 但结构体系和节点形式却统一发展为单层网格和板式节点。相当数量的具有较大难度的工程实践及其相关设计研究积累, 已经填补了铝合金网格结构的设计、制作和安装空白, 领先于世界。图4为2010年以来国内建成的铝合金空间网格结构主要工程案例;图5为部分工程实例。

铝合金空间网格结构近年来的应用发展很快, 相关的研究工作也很多。铝合金在高温下力学性能退化显著, 可焊性差, 故机械连接是铝合金空间网壳结构的主要连接形式。其中板式节点 (见图6, 又称盘式节点、TEMCOR节点、圆盘盖板节点、锚栓盘节点等) 是通过不锈钢螺栓或锁紧螺栓 (Lockbolt) 将上下两块圆形节点板和I型杆件翼缘紧密连接而成的, 由节点板传递杆件内力。其中, 锁紧螺栓一般采用美国HUCK螺栓 (见图7) , 这类螺栓有一定的预紧力, 预紧力达不到高强螺栓的水平, 但工作性能又不同于普通螺栓。

因其连接的简易性, 板式节点已成为当今铝合金空间网格结构中的主要节点形式, 但因其构造的特殊性又使其成为整个结构设计中的关键环节。

板式节点主要适用于构件主要受压的铝合金穹顶结构, 其设计依据是《美国铝合金设计手册》^[1,2]。但目前在国内这类节点已经广泛应用于构件受弯剪轴力共同作用的自由曲面铝合金网格结构。对这类节点的破坏模式、承载性能、抗弯刚度等的研究虽然已有很多, 但目前尚未形成可直接应用的研究成果。2014年, 郭小农等^[3]设计了4个铝合金板式节点试件试验, 研究板式节点在面外纯弯矩作用下以及弯剪联合作用下的破坏模式, 提出了纯弯矩作用下节点盘发生块状拉剪破坏时的抗弯承载力公式, 并考虑了杆件撬力下节点盘局部弯曲对节点抗弯承载力的折减系数k₁。接着郭小农等^[4,5]以加载模式、抗剪键种类、节点盘厚度以自变量进行了14个节点试样的试验, 分析弯矩转角曲线得知该节点为典型的半刚性节点, 节点盘厚度增加和设置抗剪键都会显著提高节点初始弯曲刚度。对于3杆加载时, 加载杆和非加载杆间存在交互现象。2015年郭小农^[6]针对14个节点试样试验的其中两种破坏模式:节点板块状拉剪破坏、节点盘中心区屈曲, 提出了理论公式。节点刚度对铝合金板式节点网壳稳定性能的影响不容忽视。熊哲等^[7]为此提出了考虑铝合金板式节点半刚性杆件单元力学模型, 在弯矩-转角试验的基础上, 通过数值分析研究发现铝合金板式节点的半刚性特性显著降低了网壳结构的承载力。2014年, 王元清等^[8]设计了3个足尺的两端夹支的双肢节点试样, 在节点盘中心竖向加载, 试验自变量为工字形杆件尺寸和节点盘厚度, 破坏模式为受拉翼缘最外排螺孔处脆性断裂, 分析弯矩-转角曲线得知, 节点为半刚性节点, 且刚度较大, 但延性较低。2017年, 柳晓晨等^[9]设计了5个双肢节点试样, 试验变量、加载方式同2014年试验, 破坏模式除了工字形杆件翼缘的拉断, 还发生了节点盘块状撕裂、螺栓群剪断。对于前两种破坏模式提出了类似郭小农^[6]中的计算公式;对于螺栓群剪断破坏, 假定破坏时塑性重分布, 各个螺栓承担的荷载相同, 并考虑连接长度较长导致的螺栓应力不均匀, 提出螺栓群剪断的计算公式。2014年, 韦申等^[10]也进行了两端夹支的双肢节点试样在节点盘中心竖向加载的试验, 破坏模式为受拉翼缘最外排螺孔处脆性断裂。根据试验的弯矩-转角曲线, 提出简化的双线性弯矩-转角曲线, 并可用于网壳整体稳定分析。2018年, 施明哲等^[11]根据节点区纯弯、弯剪联合两种加载工况, 和抗剪键有无两个控制变量, 设计了6个两端夹支的双肢节点试样试验。纯弯工况下, 有无抗剪键均发生受拉翼缘沿螺孔拉断;弯剪联合工况下, 无抗剪键, 受拉螺栓螺母拉脱, 有较弱的抗剪键, 发生腹板鼓屈;有较强的抗剪键时, 发生腹板沿着螺孔处断裂。抗剪连接件在弯剪联合工况下的作用更明显, 极大提高了初始剪切刚度和受拉翼缘拉断承载力。抗剪连接件和非加载方向的短梁对于节点剪切刚度的贡献占80%, 而节点盘面变形占20%。

现有研究大都围绕节点在纯弯、弯剪联合作用下的工作性能。但对各种受力情况下的自紧螺栓连接本身的工作性能、破坏模式和机理、设计方法等的研究不多。另一方面, 随着铝合金网格结构工程的跨度增大、复杂程度增加, 高度500mm左右的大截面铝合金型材的应用日渐增多, 对大截面型材TEMCOR板式节点及修改的板式类型在各种内力及其组合作用下的破坏机理和工作性能的研究已经开始^[12,13]。

2017年9月4日召开了国家规范《铝合金结构技术标准》的启动会, 《铝合金结构技术标准》是原《铝合金结构设计规范》和《铝合金结构施工质量验收规范》的合并修订规范, 计划2019年10月完成报批稿。根据铝合金结构的应有和发展情况, 重编的《铝合金结构技术标准》除了整合设计和施工验收两方面内容外, 还将增加关于铝合金新材料、新连接、新节点和不同结构体系等部分的内容, 增加关于抗风、抗震设计方面的内容。《铝合金结构技术标准》的主要章节和修改内容:1.总则;2.术语和符号;3.基本规定增加抗震设计、抗风设计;4.材料增加6082, 7系;5.构件有效截面和有效厚度

增加大截面;6.受弯构件的计算增加钢铝组合、异形型材;7.轴心受力构件的计算增加钢铝组合、异形型材;8.拉弯和压弯构件的计算增加钢铝组合、异形型材;9.面板的计算增加异形面板;10.连接和节点的计算增加自攻螺丝、拉铆钉等, 增加节点域刚度计算等;11.构造要求;12.结构设计12.1一般规定;12.2增加网格结构的设计;12.3增加刚架和框架结构的设计;12.4增加塔架结构的设计;12.5增加人行桥梁的设计;13.施工质量验收13.1原材料及成品进场;13.2零部件和组装工程;13.3连接工程;13.4安装工程;13.5分部 (子分部) 工程竣工验收;附录。

随着铝合金材料行业的发展和进步, 国家经济和社会发展的需求, 铝合金结构在我国还有很大的发展和应用空间。以下方面研究有助于促进铝合金结构的健康发展和推广应用: (1) 高性能铝合金材料的力学性能研究; (2) 铝合金结构体系的拓展研究, 铝合金结构在通讯塔架、低层框架结构中的应用拓展研究; (3) 新型铝合金连接件和新型铝合金结构连接节点的研究和应用; (4) 铝合金结构的抗风和抗震设计方法研究; (5) 铝合金结构性能化抗火设计研究。