鋁合金在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(yōu)點，是理想的用于大跨度結(jié)構(gòu)的材料。但由于鋁合金材料彈性模量較低，結(jié)構(gòu)剛度較弱，用鋁合金材料建造的大跨度建筑結(jié)構(gòu)是否具有足夠的承載力，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需要解決的主要問題。本文考慮預(yù)應(yīng)力的融合來提高鋁合金網(wǎng)架的整體剛度，來揚長避短體現(xiàn)鋁合金材料的優(yōu)勢，以此進一步發(fā)揮鋁合金材料在空間結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：鋁合金材料;空間結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力;力學(xué)特性

1空間結(jié)構(gòu)簡介

1.1空間結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

二十世紀的工業(yè)革命推動了全球的建筑科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其中空間結(jié)構(gòu)在此時期也有了突破性的進展，與平面結(jié)構(gòu)相比較，空間結(jié)構(gòu)具有剛度大、抗震性好、易回收、受力合理、經(jīng)濟、自重輕等明顯優(yōu)勢，并且從美學(xué)角度講，形式新穎、設(shè)計生動活潑彰顯藝術(shù)氣息，達到結(jié)構(gòu)與建筑美學(xué)的完美結(jié)合。

1.2空間結(jié)構(gòu)的類型

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

2鋁合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1鋁合金材料在空間結(jié)構(gòu)中的發(fā)展現(xiàn)狀

鋁合金在建筑業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)形成了自己的產(chǎn)業(yè)，如在美國便存在十多個公司專注于鋁合金結(jié)構(gòu)，較有名的有Conservatek，Temcor等，都是專業(yè)經(jīng)營鋁合金結(jié)構(gòu)的制作、設(shè)計以及安裝一條龍的企業(yè)。我國在這方面起步較晚，但近些年來發(fā)展迅速，建造了很多鋁合金結(jié)構(gòu)的建筑。

2.2鋁合金在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鋁合金在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用依然是一種新潮流趨勢。它作為一種在建筑領(lǐng)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(yōu)點，與此同時因其固有屬性使鋁合金應(yīng)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(xiàn)的淋漓盡致，附有較強的現(xiàn)代藝術(shù)感。在航天航空、體育、演藝、環(huán)保等一系列大跨標志性建筑領(lǐng)域里，應(yīng)用前景十分廣闊。鋁合金應(yīng)用在建筑領(lǐng)域的明顯優(yōu)勢總結(jié)如下：（1）降低結(jié)構(gòu)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(zhì)量;（6）保障低溫結(jié)構(gòu)工作的穩(wěn)定性?？梢钥闯?，鋁合金材料在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域里必將成為世界上舉足輕重的建筑材料，其發(fā)展空間也是一片光明。

3鋁合金空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析

3.1預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)

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(wǎng)格結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力的融合來提高網(wǎng)架的整體剛度，來揚長避短體現(xiàn)鋁材的優(yōu)勢。預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)主要是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。指將預(yù)應(yīng)力技術(shù)同網(wǎng)殼、網(wǎng)格、懸索等結(jié)構(gòu)，由桿件和拉索所構(gòu)成的張力結(jié)構(gòu)、立體桁架結(jié)構(gòu)等大跨度空間鋁合金結(jié)構(gòu)有機結(jié)合起來，由此構(gòu)成的一類新型的預(yù)應(yīng)力大跨空間結(jié)構(gòu)體系，對于改良結(jié)構(gòu)特性、提高經(jīng)濟效益效果十分顯著。

3.2預(yù)應(yīng)力技術(shù)融入鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的力學(xué)特性

3.2.1降低設(shè)計內(nèi)力的水平

使得更好達到設(shè)計人員所期望的內(nèi)力分布、結(jié)構(gòu)剛度和撓度控制等要求。通過單次的引入與結(jié)構(gòu)內(nèi)力幅值符號互異的預(yù)應(yīng)力來對消或減弱結(jié)構(gòu)內(nèi)力高峰;

3.2.2材料強度這一屬性可以充分發(fā)揮，從而提高承載力

對于普通結(jié)構(gòu)，應(yīng)力值是從零計且不考慮自重因素，結(jié)構(gòu)在受外荷載時，桿件從無到有開始受力直到桿件應(yīng)力值達到材料的抗拉或抗壓極限。而通過受拉的桿件導(dǎo)人相反的預(yù)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(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性且改善其動力性能

引入預(yù)應(yīng)力會得到一個與外荷載作用而產(chǎn)生的相反方向的位移，故提高了結(jié)構(gòu)的剛度。施加預(yù)應(yīng)力后而得到的反方向位移類似于結(jié)構(gòu)的起拱，在外荷載作用下，起拱結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力可以大大提高結(jié)構(gòu)的剛度，如圖1.2所示。

4結(jié)束語

鋁合金網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在如今全面建設(shè)的社會環(huán)境下，有著不可替代的地位與舉足輕重的作用，傳統(tǒng)網(wǎng)架就擁有著多向受力、便于施工、較一般平面結(jié)構(gòu)有較大剛度的優(yōu)點。拉索預(yù)應(yīng)力技術(shù)在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用雖然只走過二十多年，但是發(fā)展速度迅猛，且前景相當可觀。如今大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展勢態(tài)迅猛，這就為預(yù)應(yīng)力拉索空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供了廣闊的市場與光明的前途。