鋁合金材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

邢國華 王曉盼 李翔宇，2 張廣泰

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

0 引言

科技發(fā)展和社會進(jìn)步使得人類對建筑結(jié)構(gòu)的要求越來越高，但服役時(shí)間的增加、外力破壞、環(huán)境侵蝕及自然災(zāi)害等因素卻降低了建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。隨著混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題受到越來越多的關(guān)注，提高結(jié)構(gòu)使用性能并延長結(jié)構(gòu)使用壽命成為建筑領(lǐng)域的關(guān)鍵目標(biāo)［1］。目前，多采用鋼材或具有一定優(yōu)越性的FRP 材料對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)，但鋼材自重大、易銹蝕、后期維護(hù)費(fèi)用大；FRP 延性和耐熱性差，為無明顯屈服點(diǎn)的各向異性材料。故綜合考慮材料自身性質(zhì)、操作簡易性和經(jīng)濟(jì)有效性，研究開發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的新型加固材料成為建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域亟待解決的問題。

20 世紀(jì)以來，鋁合金在材料科學(xué)中受到了廣泛關(guān)注，因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、延性較好等鋼材和FRP 所不具有的優(yōu)良特性，應(yīng)用在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的特殊建筑結(jié)構(gòu)中有較強(qiáng)優(yōu)勢，故可作為理想新材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。隨鋁合金加工工藝的發(fā)展和連接技術(shù)的改進(jìn)，鋁合金材性不斷提高，被合理應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中適當(dāng)降低了工程造價(jià)。鋁合金作為主體結(jié)構(gòu)材料可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，作為結(jié)構(gòu)加固材料可用于加固混凝土結(jié)構(gòu)。多年來，國內(nèi)外相關(guān)研究人員已在鋁合金的制造工藝、連接設(shè)計(jì)、物理及力學(xué)性能和耐久性等方面開展了一系列基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，解決了一些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料所不能解決的工程難題，并研究了鋁合金結(jié)構(gòu)及鋁合金與其他材料的組合結(jié)構(gòu)。

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(xué)及耐久性能，幾種工程常用鋁合金的基本物理性能和力學(xué)性能指標(biāo)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(xué)性能表Table 2 Mechanical properties of aluminum alloy materials commonly used in engineering

國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金的基本性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，J.A.Abdalla等［2］通過測定得到了5083-0鋁合金樣品的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(rèn)識斷裂和疲勞性能及微觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系對鋁合金的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有重要意義。

圖1 5083-0鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線［2］Fig.1 Stress versus strain relationship of 5083-0 aluminum alloy

國外發(fā)達(dá)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(nèi)對鋁合金高溫耐火性能的研究起步較晚，目前相關(guān)試驗(yàn)成果少且零散，未能形成數(shù)據(jù)體系。陳志華等［4］對6061-T6 和7075-T73 鋁合金火災(zāi)后的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：溫度超過300 ℃后6061-T6 鋁合金火災(zāi)后的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度迅速下降，溫度達(dá)到450 ℃時(shí)其強(qiáng)度最低。但隨著暴露溫度的升高，其強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯的回升趨勢。7075-T73 鋁合金的強(qiáng)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(qiáng)度鋁合金能在極低溫度下保持強(qiáng)度、韌性和延展性，是多用于低溫環(huán)境的主要結(jié)構(gòu)材料。但與鋁合金高溫性能的研究相比，國內(nèi)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(qiáng)度-韌性關(guān)系，了解了鋁合金低溫?cái)嗔秧g性的主要微觀機(jī)制。郭小農(nóng)等［6］對鋁合金的低溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究表明：低溫下鋁合金會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，其抗拉極限強(qiáng)度和名義屈服強(qiáng)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(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，兩種材料間的相互作用也受到了廣泛關(guān)注。J.A.Abdalla等［7］對外貼鋁合金板混凝土試件進(jìn)行面內(nèi)單剪試驗(yàn)和理論分析，結(jié)果表明：粘結(jié)層剪切應(yīng)力隨鋁合金表面粗糙度和粘結(jié)長度的變化而變化，對粘結(jié)界面進(jìn)行處理或?qū)⑴c混凝土粘結(jié)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(jié)性能。姜德文等［8］通過對不同變量條件下的試件進(jìn)行雙剪試驗(yàn)，得到了試件剝離承載力、粘結(jié)界面破壞機(jī)理及界面粘結(jié)-滑移性能的演化規(guī)律，提出了三種無機(jī)膠粘貼鋁合金板-混凝土界面的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型。

2 鋁合金材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

我國《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］指出：近幾十年，鋁合金作為一種具有諸多優(yōu)點(diǎn)的新型建筑材料，可適應(yīng)惡劣的建筑環(huán)境及現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中發(fā)展迅速。設(shè)計(jì)鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)從工程實(shí)際出發(fā)，合理選用材料、結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施，滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件在運(yùn)輸、安裝和使用過程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)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(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用

2.1.1 鋁合金在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)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(gòu)件的附屬構(gòu)造和舊橋面系統(tǒng)的翻新與更換，還可用于橋梁的主體結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代初，可擠壓性和焊接性強(qiáng)的新型鋁合金被應(yīng)用到鋁結(jié)構(gòu)中，鋁合金梁與混凝土橋面復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)也得到了發(fā)展，美國和法國一些橋梁的建造都采用了鋁合金-混凝土復(fù)合體系。楊建國等［10］對一座鋁合金桁架式人行天橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，檢驗(yàn)了其承載性能和施工質(zhì)量，表明高強(qiáng)鋁合金可應(yīng)用于大跨度人行天橋工程。鋁合金在橋梁結(jié)構(gòu)中的典型應(yīng)用實(shí)例如表3 和圖2所示。

表3 鋁合金在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例Table 3 Application examples of aluminum alloy in bridge structures

圖2 應(yīng)用鋁合金的橋梁Fig.2 Bridges using aluminum alloy

2.1.2 鋁合金在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

A.Formisano 等［11］介紹了將鋁合金應(yīng)用于建筑工程主體結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)勢，總結(jié)了他本人近年來在鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新方面尤其在鋁合金構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)及抗震裝置等方面的一些研究成果，強(qiáng)調(diào)了在建筑工程主體結(jié)構(gòu)中用鋁合金替代鋼的應(yīng)用潛力。將鋁合金作為主體結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)勢，其在空間結(jié)構(gòu)中的典型應(yīng)用實(shí)例如表4和圖3所示。

圖3 應(yīng)用鋁合金的空間結(jié)構(gòu)Fig.3 Spatial structures using aluminum alloy

表4 鋁合金在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例Table 4 Application examples of aluminum alloy in spatial structures

2.2 鋁合金作為結(jié)構(gòu)加固材料的應(yīng)用

2.2.1 鋁合金筋配筋混凝土梁

目前，國內(nèi)外關(guān)于用鋁合金筋替代鋼筋作為受力筋來加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究開展尚少，其應(yīng)用可行性和有效性的相關(guān)試驗(yàn)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(jìn)行四點(diǎn)彎曲單調(diào)靜載試驗(yàn)，分析了各梁的破壞過程及破壞機(jī)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(jìn)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(jìn)行了承載力預(yù)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(fā)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(qiáng)度和延性。A.Abu-Obeidah 等［13］對外貼鋁合金板剪切加固受損梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明：外貼鋁合金板加固可提高鋼筋混凝土梁的強(qiáng)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(shí)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：外貼鋁合金板對鋼筋混凝土梁的抗剪加固效果和強(qiáng)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(huán)境中，容易從混凝土結(jié)構(gòu)表面剝離。故基于外貼加固的研究基礎(chǔ)，相關(guān)研究人員開始探索研究嵌入式鋁合金筋加固技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)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(shù)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(yàn)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(xiàn)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(diào)靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鋁合金筋嵌入式加固梁受拉鋼筋屈服后的變形能力好，發(fā)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(huán)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(jìn)行研究，結(jié)果表明：鋁合金筋嵌入式加固可顯著提高梁的承載力，環(huán)包碳布錨固可在提高梁承載力的同時(shí)防止加固筋發(fā)生剝離，提高位移延性。

2.2.4 體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁

鋼絞線和高強(qiáng)鋼絲用于體外預(yù)應(yīng)力筋加固結(jié)構(gòu)時(shí)暴露出自重大、易銹蝕等缺陷。高強(qiáng)鋁合金筋的極限應(yīng)力雖然比鋼絞線和高強(qiáng)鋼絲低，但其由于諸多其他優(yōu)點(diǎn)而在特定環(huán)境下具有較強(qiáng)優(yōu)勢，可將其作為低溫侵蝕等特殊環(huán)境下的體外預(yù)應(yīng)力加固材料以達(dá)到良好的加固效果。宋啟璽［19］通過對鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力加固梁的正截面極限承載力計(jì)算公式和體外預(yù)應(yīng)力筋的配筋計(jì)算公式，并利用有限元軟件對梁的受力全過程進(jìn)行有限元模擬分析，通過比較試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。邢國華等［20］通過對鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土構(gòu)件受力性能的有限元分析得出：與傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力加固梁相比，鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)

2.3.1 鋁合金管混凝土組合結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)，鋁合金管混凝土和傳統(tǒng)混凝土柱相比有一定的優(yōu)勢，可有效利用兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，提供高強(qiáng)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(yàn)分析了其承載力的變化特點(diǎn)，并借助有限元軟件建立了柱的模型且驗(yàn)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(jì)算理論提出了7075 鋁合金管混凝土柱軸壓承載力的計(jì)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(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算及驗(yàn)證。張紀(jì)剛等［23］結(jié)合鋁合金結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行了研究。

2.3.2 鋁合金-FRP組合結(jié)構(gòu)

鋁合金與FRP 材性各有所長，將其合理組合可設(shè)計(jì)出力學(xué)性能更優(yōu)、形式更多樣、性價(jià)比更高的新型構(gòu)件與結(jié)構(gòu)，進(jìn)而推動鋁合金材料在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)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(shí)顯著提高構(gòu)件的剛度和承載力，介紹了鋁合金-FRP新型組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，認(rèn)為將兩種材料搭配使用可揚(yáng)長避短，使更大跨度和高度的工程結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)。陳宇等［25］對CFRP 加固鋁合金圓管混凝土進(jìn)行純面內(nèi)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明：用CFRP 加固的鋁合金管混凝土試件其極限強(qiáng)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(yīng)用的發(fā)展趨勢預(yù)測

為推動鋁合金材料在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，需對其存在問題和發(fā)展方向進(jìn)行更深入的探索研究。

（1）關(guān)于材料性能：進(jìn)一步研發(fā)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(yōu)勢性能的組合。應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)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(fù)雜惡劣環(huán)境中，因此亟需通過科學(xué)的分析手段交叉融合各學(xué)科相關(guān)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(guī)律和劣化機(jī)理，從而研究采取合適的技術(shù)方法以提高結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性。

（2）關(guān)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在未來研究中，探討如何將鋁合金更好的應(yīng)用于混凝土中，將兩者優(yōu)勢互補(bǔ)以增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。此外，可進(jìn)一步考慮將鋁合金同其它優(yōu)異材料組合使用，協(xié)同工作以共同加固混凝土結(jié)構(gòu)，使混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能得到有效改善。還可在應(yīng)用鋁合金方面不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，開拓發(fā)展各類新型適用、經(jīng)濟(jì)美觀的鋁合金結(jié)構(gòu)及鋁合金與其它材料的組合結(jié)構(gòu)。

（3）關(guān)于循環(huán)利用：鋁合金的循環(huán)利用率高，其正?；厥章蕿?0%左右，個(gè)人和其他渠道回收率在70%左右。但傳統(tǒng)回收技術(shù)基本無預(yù)處理，造成環(huán)境污染，因此需針對鋁合金材料的特性與建筑節(jié)能科學(xué)進(jìn)行交叉研究，采取更合適的回收新技術(shù)盡可能使鋁合金的回收利用率達(dá)到最高的同時(shí)減少環(huán)境的污染。

（4）關(guān)于相關(guān)規(guī)范的完善：鋁合金相關(guān)規(guī)范的制定在國外已相對成熟［26］，但我國相關(guān)規(guī)范較為匱乏，不僅阻礙了鋁合金結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展，也突出了我國需加快編制鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的必要性，而現(xiàn)已建成的各種鋁合金結(jié)構(gòu)均為編制工作提供了寶貴的工程實(shí)踐資料。同時(shí)在現(xiàn)行規(guī)范GB 50429—2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中還有諸多值得改進(jìn)和完善之處，有必要在相關(guān)工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，繼續(xù)深入開展其研究工作并做補(bǔ)充。

4 結(jié)論

近年來，鋁合金材料在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域越來越受到重視，本文結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金材料在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的研究進(jìn)展，著重對鋁合金作為主體結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)加固材料及其與其它材料組合使用等方面進(jìn)行了歸納和分析，得出了以下結(jié)論：

（1）鋁合金因輕質(zhì)高強(qiáng)、延性和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，將其作為主體結(jié)構(gòu)材料或結(jié)構(gòu)加固材料應(yīng)用于低溫侵蝕環(huán)境的建筑結(jié)構(gòu)中不僅可改善結(jié)構(gòu)性能，而且其應(yīng)用操作簡易，順應(yīng)綠色環(huán)保的要求；將鋁合金同混凝土和FRP 材料組合使用優(yōu)勢互補(bǔ)，可降低工程造價(jià)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（2）人們對鋁合金基本性能的認(rèn)識仍在逐步加深，除基本的強(qiáng)度、剛度、與混凝土的粘結(jié)性能外，關(guān)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(jié)構(gòu)與構(gòu)件形式逐步多樣化，可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)及大跨度空間結(jié)構(gòu)；可制成鋁合金板或鋁合金筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固；也可制成鋁合金管在內(nèi)部填充混凝土形成鋁合金管混凝土組合結(jié)構(gòu)，還可考慮開拓發(fā)展鋁合金-FRP組合結(jié)構(gòu)。

（4）未來還需對鋁合金及其結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)、成本最優(yōu)化及其作為綠色建筑材料的回收利用技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究，同時(shí)對其進(jìn)行長期服役監(jiān)測。

（5）為促進(jìn)鋁合金及其結(jié)構(gòu)的科研成果在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用，需盡快制定完善產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)范鋁合金市場，促進(jìn)其健康高速的發(fā)展。