相对于钢材和混凝土, 铝合金是一种新型的建筑材料。1886年美国的霍尔和法国的赫鲁特发明熔岩电解炼铝法后, 铝金属才开始工业化大规模生产, 至今不过100多年的历史。20世纪90年代以来, 随着铝工业技术及装备水平的提高, 全球原铝产量迅猛增长。我国铝工业自改革开放以来也得到了飞速发展, 目前已成为世界铝工业大国。统计显示, 2000~2011年, 我国的电解铝产量增长了5倍之多, 铝型材产量已超过美国成为世界第一位。2011年至今, 我国原铝、电解铝和铝型材产量也呈逐年上升之势。

　　 铝合金具有轻质高强、耐腐蚀性能好、维护费用低、可塑性强和可循环利用等优点, 被广泛应用于建筑、电子电力、交通运输、机械设备和耐用消费品等领域。在建筑领域中, 铝合金的应用起步较早, 欧美地区一些国家从20世纪50年代就开始研究并使用铝合金结构。我国在这方面的研究与应用起步较晚, 但近年来发展迅速, 国内已建成多座铝合金结构的建筑物, 并于2007年发布了国家标准《铝合金结构设计规范》 (GB 50429—2007) ^[1]。国内大跨度铝合金结构大多采用单层网壳体系, 构件多为工字形截面或矩形管截面, 构件之间采用板式节点连接。应用于承重结构时, 铝合金材料牌号一般选用6061-T6或6082-T6。

　　 目前, 国内外的大跨度铝合金结构均采用Al-Mg-Si系铝合金材料。这种材料主要特点如下:

　　 (1) 质量轻、强度高:铝合金材料的密度约为2.6~2.8g/cm³, 仅相当于钢材密度的1/3, 而抗拉强度却达到了近300MPa, 非常适用于大跨度结构。

　　 (2) 耐腐蚀:材料表面不需做特殊处理即可达到建筑防腐要求, 终身免维护, 因此在游泳馆、温室展览馆、石化行业、煤炭储备堆场、海边环境、杆件外露的建筑等领域中的使用具有明显优势。

　　 (3) 易于挤压成型:铝合金的热挤压工艺可以提供任意断面形状的型材产品, 可挤压出承重和围护二合一的杆件, 减少次结构的用量、减少施工环节、节约建筑空间。另外, 主体结构与围护结构一体化, 将使得热胀冷缩引起的差异变形非常小, 减少建筑表面的破坏, 防水性能优越。

　　 (4) 工厂高精度预制、现场全装配式施工:铝合金结构的型材、节点板等所有材料均为工厂预制产品, 采用数控机床加工, 制作精度高, 可满足安装要求和建筑效果。结构安装时全部采用装配式安装, 施工现场几乎没有任何冷加工和焊接工序, 大幅度缩短了工期, 一般铝合金结构的施工工期是同规模钢结构施工工期的1/2。

　　 (5) 弹性模量小:铝合金的弹性模量约为钢材的1/3, 因而对于铝合金结构而言, 稳定性问题需给予足够关注。

　　 (6) 热胀系数大:铝合金的热胀系数大约是钢材的2倍, 对温度作用较为敏感。

　　 此外, 铝合金还具有易回收、再处理成本低、再利用率高等优点。铝合金作为结构材料的应用越来越广泛, 特别是在一些标志性的建筑中, 其运用前景非常广阔。

　　 铝合金在建筑业中的应用已经有近100年的历史^[2], 欧美一些国家从20世纪50年代开始使用铝合金作为承重结构。1951年, 英国建造了伦敦机场的特大型铝合金机库, 机库长33.5m、宽137m;1953年, 英国建造了另一个平面尺寸为66m×100m的铝合金机库;1959年, 苏联在莫斯科萨克尼利卡公园内建造了一座直径60m、高27m的铝合金网壳, 整个结构的材料用量约为16kg/m²;1958年, 比利时建成了一座平面尺寸为80m×250m铝合金商业仓库屋盖;1964年, 美国人富勒先生首创了短程线球面穹顶概念, 此后铝合金短程线球面穹顶结构在美国应用日趋广泛, 如位于加州洛杉矶的云彬鹤机库 (建成于20世纪70年代, 图1) 、丰田博物馆、哥伦比亚大学体育馆、美国海军北极军用观察站、艾奥瓦州植物园温室等。迄今为止, 美国建成并仍在使用的铝合金单层网壳建筑有7 000座之多。

　　 国内铝合金结构的应用起步较晚, 但发展迅速。1996建成的天津市平津战役纪念馆^[3], 是国内首个大跨度铝合金单层网壳结构, 其结构体系为直径48.95m的球面网壳, 杆件通过板式节点连接。此后, 上海国际体操中心、上海马戏城、上海浦东科技馆、上海辰山植物园温室展览馆、成都顾拜旦现代五项赛事中心游泳馆 (图2) 、成都郫县体育馆 (图3) 、海南海花岛奇珍植物园 (图4) 、苏州大阳山植物园、上海崇明体育馆、北京新机场航站楼采光顶 (图5) 、南京牛首山文化旅游区佛顶宫 (图6) 等项目均采用了板式节点铝合金单层网壳结构。

　　 南京牛首山文化旅游区佛顶宫项目位于江苏省南京市牛首山东西两峰因挖矿所形成的矿坑内, 建设完成后为佛祖释迦牟尼顶骨舍利日常供奉之地。

　　 该项目包括大穹顶及小穹顶两个单体, 均采用板式节点铝合金单层网壳结构, 如图6所示。该项目以“补天阙、修莲道、藏地宫”为核心概念, 力争创造出良好的建筑与文化场所。补天阙大穹顶是佛顶宫建筑形象最主要的组成部分, 其外形灵动轻盈, 无屋面板, 属于镂空建筑, 总体尺寸为长轴250.4m、短轴111.8m、高56.83m。整个网壳为自由曲面, 采用三向网格, 如图7所示。大穹顶由两大、两小四个树状柱和沿山体的24个支座支承, 柱中心间距为130m, 柱中心与最外悬挑端的距离为51m。树状柱顶端与铝合金网壳的杆件铰接, 树杈通过球形节点与树干部分连接, 树状柱底部树干与钢筋混凝土基座采用刚性约束。

　　 小穹顶下部为混凝土浇筑的莲花宝座造型, 上部为铝合金网壳打造的摩尼宝珠造型, 上下结合形成“莲花宝盒”的寓意。小穹顶形状为椭球体, 长轴为147m, 短轴为97.4m, 矢高为36.30m, 总覆盖面积为11 245m², 展开面积为16 305m², 如图8所示。该网壳结构网格采用联方形与凯威特形相结合的形式, 中心区域设置直径为10m的圆形莲花瓣玻璃采光顶, 底部采用球铰支座支承于下部的钢筋混凝土环梁上。网格边长约为3.0m, 主要杆件截面为H450×150×8×12, 节点采用板式节点。网壳结构外覆一体化的防水铝板屋面系统, 局部采用玻璃幕墙, 防水铝板外挂设置不规则七面体装饰单元, 设计灵感源自于信徒朝拜时双手合十的形状, 如图9所示。为实现佛顶宫万佛朝宗的壮观景象, 整个小穹顶外安装了5 400个七面体装饰单元。每个七面体尺寸各不相同, 七面体装饰单元底部为三角形, 与铝合金屋盖三角形网格划分相吻合。七面体装饰单元由七块不同尺寸的铝板或玻璃板拼装而成, 底部采用螺栓直接固定于铝合金杆件上表面预留的槽口内, 无需增设转换龙骨, 从而达到建筑效果与结构体系的完美结合。

　　 牛首山大、小穹顶铝合金单层网壳结构采用通用有限元软件MIDAS, ANSYS进行设计计算, 杆件采用梁单元模拟。大、小穹顶正常使用状态下的最大竖向变形分别为144mm (挠跨比为1/732) 、64.2mm (挠跨比为1/1 308) , 线性与非线性稳定性计算结果见表1, 满足规范的要求。其中, 非线性计算考虑几何、材料双非线性, 并取第一阶弹性屈曲模态作为初始缺陷, 缺陷幅值为跨度的1/300, 荷载因子均基于恒载+活载工况。

　　 上海辰山植物园温室展览馆包括3个异形铝合金壳体结构的玻璃温室。整个建筑群分为A, B, C三个馆, 其中A馆建筑面积为9 544m²、B馆建筑面积为6 512m²、C馆建筑面积为4 078m², 建筑效果如图10所示。该建筑群造型新颖、独特, 不规则双曲面为不可解析曲面^[4]。在确定结构外形时, 采用类似于索网结构的找形方式进行形体优化, 得到的曲面不仅造型美观且受力性能优越, 能够充分发挥壳体的刚度。从形体优化前后的曲面对比情况可看出, 曲面两侧区域向内移动、顶面区域向外移动, 类似于膜结构在自重作用下的变形。

　　 本工程为典型的风敏感结构, 为保证结构的安全性, 设计团队委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了温室风洞和风环境数值模拟试验, 以获得和风荷载计算有关的参数。此外, 本工程受温度作用影响较大, 设计团队对支座形式和支座侧向刚度进行了合理设计, 使支座既能有效释放部分温度作用, 又能可靠地传递风荷载或地震作用形成的水平力。本工程杆件断面均为H形, 主要截面为H300×120×10×8, 材质为6061-T6铝板, 节点形式采用板式节点。由于节点板并非平面薄板, 而是通过冲弧形成的略有弯曲的弧板, 能与H形杆件的翼缘板有效贴合, 可适应各类复杂异型薄壳结构的设计、制作和安装。节点板和构件开孔均为数控精密加工, 制作误差不大于±0.2mm^[5]。

　　 成都顾拜旦现代五项赛事中心位于成都市双流县, 是2010年成都为举办国际现代五项世界锦标赛而新建的专用场馆^[6]。整个赛事中心由游泳击剑馆、体育场、新闻中心三个主体建筑组成, 其中游泳击剑馆屋盖采用板式节点铝合金单层网壳体系, 如图11所示。该屋盖平面形状近似边长为125m的三角形, 屋面面积约为13 000m²。铝合金单层网壳采用三向网格, 网格形状为正三角形, 网格边长约为2.8m。该网壳最大跨度为100m, 矢高约为8.5m, 矢跨比约为1/10, 最大悬挑长度约为8m。屋盖采用一体化屋面系统, 总厚度约为500mm, 其中铝合金结构杆件的高度为450mm。整个屋盖质量小于350t, 现场安装施工周期约2个月。整个屋盖结构受力合理、传力明确、施工简便。

　　 现代五项赛事中心游泳击剑馆的铝合金单层网壳结构采用通用有限元软件MIDAS, ANSYS进行分析设计, 杆件采用梁单元模拟, 杆件均采用450×200×8×10的工字形截面。根据计算分析, 除支座附近个别杆件应力比大于0.5外, 大多数杆件应力水平较低。结构在正常使用极限状态下的最大变形为117.6mm (挠跨比约为1/430) , 满足规范要求。基于恒载+活载工况, 弹性稳定性分析荷载因子约为10.92, 考虑几何与材料双非线性后的非线性稳定荷载因子约为2.85。

　　 目前, 国内大多数大跨度铝合金结构采用搭设满堂脚手架再散装杆件的施工方法, 如成都郫县体育馆。散装杆件时工人通过特制的铆钉枪安装板式节点, 见图12。为提高安装效率, 降低对满堂脚手架的依赖, 成都现代五项赛事中心采用地面分组编号与高空逐跨拼装的施工方式;南京牛首山大穹顶施工至屋面网壳部分时, 小穹顶已建造完成, 无法搭设满堂脚手架, 且大穹顶地处山坳, 场地局促。针对现场实际情况, 大穹顶施工另辟蹊径, 采用高空散装后再整体滑移到设计位置的方案。现场设置三根滑移轨道, 滑移轨道下布置临时的钢结构格构柱, 小块的铝合金网壳拼装完成后调节控制点坐标, 通过爬行器推动穹顶前行直至滑移至设计位置, 最长水平滑行距离为83m。这种铝合金曲面网壳整体滑移技术为全球首次采用^[7], 图13为大穹顶的施工现场。

　　 国外从20世纪40年代就开始了对铝合金结构的研究, 经过近70年的发展, 从材料特性、构件计算、连接设计、防火设计到铝合金结构的整体计算, 都有相当多的研究成果^[8]。国内对铝合金结构的研究始于20世纪80年代, 20世纪90年代后我国建成了多座大跨度铝合金结构, 理论研究内容也日趋广泛, 并于2008年颁布了《铝合金结构设计规范》 (GB 50429—2007) ^[1]。编写该规范时, 试验数据还比较缺乏^[9], 构件、节点等大量计算公式参考了《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[10]及《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (GB 50018—2002) ^[11]中的相关公式。与结构用钢材相比, 结构用铝合金材料既有金属材料的共性特点, 也有其个性特质, 而后者将决定工程师对铝合金结构的选型、设计、推广和应用, 也决定了大跨度铝合金结构进一步的发展方向。

　　 铝合金材料弹性模量较小, 因此大跨度铝合金单层网壳结构的整体稳定性往往成为决定其承载能力的控制因素。2000年, 钱若军等^[12]进行的铝合金单层球面网壳模型试验表明几何非线性理论适用于这种结构体系, 但应考虑节点的半刚性;2003年, 王红等^[13]研究了单层铝合金球面网壳的几何非线性稳定性, 获得了不同荷载工况、矢跨比和边界条件作用下的施威德勒型铝合金网壳的临界荷载。2004年, 郭小农等^[14]以上海国际会议中心项目为研究背景, 分析了节点刚度对网壳整体稳定的影响。2017年, 季跃^[15]对铝合金柱面网壳的弹塑性稳定进行了有限元分析, 提出了此种网壳的稳定设计方法。文献[12-15]均采用有限元计算手段进行分析, 缺乏试验分析作为基础。

　　 在网壳的整体稳定分析中, 网壳稳定容许承载力为网壳稳定极限承载力与安全系数K之比, 即用安全系数K来代表所有可能缺陷的影响。《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) ^[16]对安全系数K的取值有详细的条文规定。确定安全系数K时需考虑下列因素:1) 荷载等外部作用和结构抗力的不确定性可能带来的不利影响;2) 复杂结构稳定性分析中可能的不精确性和结构工作条件中的其他不利因素。《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) ^[16]给出的安全系数K取值主要针对钢网壳结构。对于铝合金网壳结构, 由于材料特性、加工制作方式、安装精度等, 都会影响到安全系数K的取值。因此, 对铝合金网壳结构安全系数K的取值还有待进一步研究。

　　 当结构或构件在温度作用下产生的效应可能超过承载能力极限状态或正常使用极限状态时, 如结构某一方向的平面尺寸超过伸缩缝最大间距或温度区段长度, 结构约束较大, 房屋高度较高等, 结构设计中就应考虑温度作用^[17]。

　　 铝合金材料的线膨胀系数为钢材的2倍, 为混凝土的2.4倍, 因此铝合金结构对温度作用更为敏感。建筑结构设计时, 应首先采用有效的构造措施来减少或消除温度作用效应, 如设置可活动支座、节点以及弹簧, 设置温度缝, 采用隔热保温措施等。然而《铝合金结构设计规范》 (GB 50429—2007) ^[1]并未对是否需要考虑温度作用的具体条件做出规定。目前, 国内已有机构着手于此项研究。

　　 在危害建筑物的诸种灾害中, 火灾是最常见、最危险和最具毁灭性的灾害之一^[18]。铝合金结构的性能在高温与常温下有很大差异, 现有关于常温下铝合金结构性能的研究成果并不能直接应用于铝合金结构的抗火设计中, 因而研究铝合金结构的高温性能意义重大。

　　 国外对铝合金结构高温性能的研究比较充分, 而国内对此研究起步较晚, 成果较为零散, 尚未形成数据体系:1) 从材料层次而言, 国外对不同牌号的铝合金高温性能都有较为系统的研究^{[19,20,21,22,23,24]}, 并在规范中有详细的规定;国内目前可供参考的研究数据, 仅有6061-T6建筑用铝合金高温性能^[25,26]。2) 从构件层次而言, 国外对铝合金构件在高温下整体稳定性能的试验研究和理论研究均较充分^[27,28], 欧洲规范对铝合金高温受压构件的整体失稳承载力给出了计算公式^[20], 国外对高温工况下杆件局部失稳的研究相对滞后;国内对铝合金构件高温承载力也有一定的研究成果^{[29,30,31,32]}, 但多数研究只采用了有限元计算手段进行分析, 缺乏试验验证, 对铝合金构件高温下局部稳定承载力的研究尚未有文献资料。3) 从结构层次而言, 国内外对铝合金连接节点的耐火性能研究均较少。目前在铝合金结构防火设计中, 最常使用的是性能化分析手段, 如采取水喷淋系统、直射水炮、雾化水泡等措施来隔绝火源, 并降低铝合金材料表面温度从而延长耐火时间。

　　 同钢材相比, 铝合金材料具有轻质高强、耐久性好等明显优点。尽管铝合金结构在圆形穹顶乃至自由曲面网格、人行桥梁中有一定数量的应用实例, 但铝合金材料延性较差、热影响效应显著, 导致其极少采用焊接连接方式、结构受力性能和设计理论研究不完善等, 仍是阻碍铝合金在工程结构领域大量应用的主要问题。

　　 近年来, 随着大跨度结构复杂程度的提高, 对作为承重结构的铝合金材料也提出了更高的要求。金属材料工艺的发展为铝合金材料力学性能的改良提供了可能。通过进行不同微量元素成分对材料力学性能的影响分析, 可以寻找到具有强度更高、延性更好的改性铝合金材料以满足工程结构对铝合金材料的要求。国内铝合金建筑结构主要采用的铝合金牌号是6061-T6, 而6082-T6是6xxx系列铝合金中的较新牌号, 其非比例延伸强度f_0.2和抗拉强度f_u分别比6061-T6高8%, 17%, 耐腐蚀性和焊接性也更为优越, 在欧美应用较多。目前国内对6082-T6的力学性能已进行了初步研究^[33,34,35]。这些研究为高性能铝合金材料的应用提供了基础数据。此外, 7xxx系列铝合金材料强度较高, 特殊情况下也有一定使用价值。

　　 铝合金结构的最大优点之一是它可以用压力机挤压成型。挤压工艺可以生产出用热轧方法不可能得到的任何形状的型材产品, 这是钢构件难以实现的。因此, 相比钢结构体系而言, 铝合金结构可以挤压出承重体系和围护体系二合一的杆件, 将玻璃面板、金属面板等围护材料直接连接在铝合金结构构件上, 减少次结构的用量, 节约建筑空间;另外, 主体结构与围护结构一体化、共同变形, 也减少了建筑表面的破坏, 提高了其抗渗性能。目前, 铝板、玻璃面板与铝合金结构构件的一体化连接已经发展得相当成熟并在多个工程案例中得到良好的应用, 如图14, 15所示。根据工程项目围护体系的多样化, 更多围护材料与铝合金结构构件的一体化连接方式有待进一步研究, 如太阳能板、GRC板、GFRP板、ETFE膜等。

　　 采用铝合金材料作为承重体系的结构, 多为自由曲面网壳等复杂结构体系, 其复杂程度不同于传统的框架、桁架等结构体系, 采用传统设计模式和二维图纸的表达方式, 已不足以准确有效地表达其构造内容, 因此建筑信息模型 (BIM) 作为有效的表达手段, 被纳入铝合金结构设计当中。另一方面, 铝合金结构独有的数字化加工、全装配施工方式, 也需采用数字化控制手段。如何将建筑信息模型 (BIM) 和参数化设计等数字化技术手段应用到这些复杂建筑的设计、加工、建造中的各个环节, 打穿其间的数据壁垒, 实现建筑全生命周期高效的工程控制与精确化的建造, 也是未来铝合金结构的一大研究方向。

　　 本文总结了大跨度铝合金结构在国内的应用案例, 从结构设计与施工的角度阐明了采用板式节点的单层铝合金网壳体系的特点, 并提出了进一步的发展方向, 得到以下结论:

　　 (1) 铝合金材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优点, 采用板式节点的单层铝合金网壳下料精确、施工便捷、节约工期且承载性能优异。

　　 (2) 板式节点单层铝合金网壳设计过程与普通钢网壳类似, 可采用高空散装、吊装、滑移等等多种灵活的施工方式。

　　 (3) 大跨度铝合金结构在新型高强材料、温度作用、稳定性、抗火设计、新型节点等方向具有广阔的发展空间。