铝合金在空间结构中的应用特性分析

周玲

摘要：铝合金材料有自重轻、耐腐蚀性能好、免维护等优点，是理想的用于大跨度结构的材料。但由于铝合金材料弹性模量较低，结构刚度较弱，用铝合金材料建造的大跨度建筑结构是否具有足够的承载力，是结构优化设计需要解决的主要问题。本文考虑预应力的融合来提高铝合金网架的整体刚度，来扬长避短体现铝合金材料的优势，以此进一步发挥铝合金材料在空间结构上的应用潜力。

关键词：铝合金材料;空间结构;预应力;力学特性

1空间结构简介

1.1空间结构发展现状

二十世纪的工业革命推动了全球的建筑科学技术的发展，其中空间结构在此时期也有了突破性的进展，与平面结构相比较，空间结构具有刚度大、抗震性好、易回收、受力合理、经济、自重轻等明显优势，并且从美学角度讲，形式新颖、设计生动活泼彰显艺术气息，达到结构与建筑美学的完美结合。

1.2空间结构的类型

空间结构是近年来发展极为迅速的一类新型结构，尤其是本世纪以来种种空间结构形式也是丰富多样式的涌现，这也在极大程度上增进了空间结构理论的进步。空间结构虽然形式型繁杂、样式多变。但可按结构体系分类，空间结构一般分为三种基本类型：实体结构类——板结构、薄壳结构。它们一般是钢筋混凝土实体结构。近些年应用较少;网格结构类——网壳结构、网架结构。它们一般是由杆件按照一定的规则组成的网格状高次超静定空间杆系结构;张力结构类——薄膜结构、悬索结构。它们一般是预先施加张力对膜或索从而形成结构体系，常用的空间结构构件主要是型钢、高强钢索及膜材。

2铝合金材料的应用现状

2.1铝合金材料在空间结构中的发展现状

铝合金在建筑业中的应用已经有100多年的历史，通常为人们所熟悉的是它作为建筑装饰材料的应用，比如铝合金门窗外框等。欧美一些国家从上世纪50年代开始研究使用铝合金结构，目前已经形成了自己的产业，如在美国便存在十多个公司專注于铝合金结构，较有名的有Conservatek，Temcor等，都是专业经营铝合金结构的制作、设计以及安装一条龙的企业。我国在这方面起步较晚，但近些年来发展迅速，建造了很多铝合金结构的建筑。

2.2铝合金在空间结构中的应用

铝合金在空间结构中的应用依然是一种新潮流趋势。它作为一种在建筑领域新兴的材料，轻盈、耐腐蚀，且有着其它建材不可替代的明显优点，与此同时因其固有属性使铝合金应用于建筑上，有着造型新颖、外型美观，把当代鬼斧神工的精湛工艺体现的淋漓尽致，附有较强的现代艺术感。在航天航空、体育、演艺、环保等一系列大跨标志性建筑领域里，应用前景十分广阔。铝合金应用在建筑领域的明显优势总结如下：（1）降低结构的自重;（2）降低交通运输造价及安装便捷;（3）建筑的使用年限有所提高;（4）改良建筑的使用性;（5）提高房屋的质量;（6）保障低温结构工作的稳定性。可以看出，铝合金材料在工程结构领域里必将成为世界上举足轻重的建筑材料，其发展空间也是一片光明。

3铝合金空间结构的力学特性分析

3.1预应力空间结构

因铝合金材材料具有弹性模量低等属性，为克服这一问题，故考虑在空间网格结构中引入预应力的融合来提高网架的整体刚度，来扬长避短体现铝材的优势。预应力空间结构主要是空间网格结构。指将预应力技术同网壳、网格、悬索等结构，由杆件和拉索所构成的张力结构、立体桁架结构等大跨度空间铝合金结构有机结合起来，由此构成的一类新型的预应力大跨空间结构体系，对于改良结构特性、提高经济效益效果十分显著。

3.2预应力技术融入铝合金空间网格结构中的力学特性

3.2.1降低设计内力的水平

使得更好达到设计人员所期望的内力分布、结构刚度和挠度控制等要求。通过单次的引入与结构内力幅值符号互异的预应力来对消或减弱结构内力高峰;

3.2.2材料强度这一属性可以充分发挥，从而提高承载力

对于普通结构，应力值是从零计且不考虑自重因素，结构在受外荷载时，杆件从无到有开始受力直到杆件应力值达到材料的抗拉或抗压极限。而通过受拉的杆件导人相反的预压力，再来施加荷载抗拉能力明显可以提高，原理如下图1.1所示。

3.2.3提高结构刚度、稳定性且改善其动力性能

引入预应力会得到一个与外荷载作用而产生的相反方向的位移，故提高了结构的刚度。施加预应力后而得到的反方向位移类似于结构的起拱，在外荷载作用下，起拱结构可对原始的位移挠度进行抵消，位移挠度通过线性叠加计算便可得到新的位移挠度。从这个理论来说，施加预应力可以大大提高结构的刚度，如图1.2所示。

4结束语

铝合金网架结构在如今全面建设的社会环境下，有着不可替代的地位与举足轻重的作用，传统网架就拥有着多向受力、便于施工、较一般平面结构有较大刚度的优点。拉索预应力技术在空间网格结构上的应用虽然只走过二十多年，但是发展速度迅猛，且前景相当可观。如今大跨度空间结构的发展势态迅猛，这就为预应力拉索空间网格结构提供了广阔的市场与光明的前途。