铝合金材料在建筑结构中的应用研究进展

邢国华 王晓盼 李翔宇，2 张广泰

（1.新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐 830047；2.长安大学建筑工程学院，西安 710061）

0 引言

科技发展和社会进步使得人类对建筑结构的要求越来越高，但服役时间的增加、外力破坏、环境侵蚀及自然灾害等因素却降低了建筑结构的安全性、适用性和耐久性。随着混凝土结构的耐久性问题受到越来越多的关注，提高结构使用性能并延长结构使用寿命成为建筑领域的关键目标［1］。目前，多采用钢材或具有一定优越性的FRP 材料对混凝土结构进行加固补强和修复，但钢材自重大、易锈蚀、后期维护费用大；FRP 延性和耐热性差，为无明显屈服点的各向异性材料。故综合考虑材料自身性质、操作简易性和经济有效性，研究开发轻质高强、耐久性好的新型加固材料成为建筑结构领域亟待解决的问题。

20 世纪以来，铝合金在材料科学中受到了广泛关注，因其具有轻质高强、耐腐蚀、延性较好等钢材和FRP 所不具有的优良特性，应用在复杂恶劣环境下的特殊建筑结构中有较强优势，故可作为理想新材料应用于建筑结构领域。随铝合金加工工艺的发展和连接技术的改进，铝合金材性不断提高，被合理应用于建筑结构中适当降低了工程造价。铝合金作为主体结构材料可应用于桥梁结构和空间结构，作为结构加固材料可用于加固混凝土结构。多年来，国内外相关研究人员已在铝合金的制造工艺、连接设计、物理及力学性能和耐久性等方面开展了一系列基础和应用研究，解决了一些传统结构材料所不能解决的工程难题，并研究了铝合金结构及铝合金与其他材料的组合结构。

1 铝合金材料的基本性能

铝合金材料具有较为理想的物理、力学及耐久性能，几种工程常用铝合金的基本物理性能和力学性能指标汇总见表1和表2。

表1 铝合金物理性能表Table 1 Physical properties of aluminum alloy materials

表2 工程常用铝合金力学性能表Table 2 Mechanical properties of aluminum alloy materials commonly used in engineering

国内外学者对铝合金的基本性能进行了较为系统的研究，J.A.Abdalla等［2］通过测定得到了5083-0铝合金样品的应力-应变关系，如图1 所示。T.Kobayashi［3］介绍了铝合金的断裂和疲劳性能，指出疲劳和断裂不能截然分开，明确认识断裂和疲劳性能及微观结构间的关系对铝合金的设计和工程应用具有重要意义。

图1 5083-0铝合金的应力-应变曲线［2］Fig.1 Stress versus strain relationship of 5083-0 aluminum alloy

国外发达国家对铝合金材料高温耐火性能的研究较早，相对比较成熟完善，而国内对铝合金高温耐火性能的研究起步较晚，目前相关试验成果少且零散，未能形成数据体系。陈志华等［4］对6061-T6 和7075-T73 铝合金火灾后的力学性能进行试验研究，结果表明：温度超过300 ℃后6061-T6 铝合金火灾后的屈服强度和极限强度迅速下降，温度达到450 ℃时其强度最低。但随着暴露温度的升高，其强度均出现明显的回升趋势。7075-T73 铝合金的强度变化趋势与6061-T6 铝合金相似，但其更易受暴露温度的影响。

高强度铝合金能在极低温度下保持强度、韧性和延展性，是多用于低温环境的主要结构材料。但与铝合金高温性能的研究相比，国内外目前对于铝合金低温性能的研究相对较少。K.T.V.Rao等［5］研究了铝合金的低温强度-韧性关系，了解了铝合金低温断裂韧性的主要微观机制。郭小农等［6］对铝合金的低温力学性能试验研究表明：低温下铝合金会出现加工硬化现象，其抗拉极限强度和名义屈服强度均随温度的降低而增加，但低温对其断后延伸率和断面收缩率的影响甚微。

随着铝合金材料在混凝土结构中的应用，两种材料间的相互作用也受到了广泛关注。J.A.Abdalla等［7］对外贴铝合金板混凝土试件进行面内单剪试验和理论分析，结果表明：粘结层剪切应力随铝合金表面粗糙度和粘结长度的变化而变化，对粘结界面进行处理或将与混凝土粘结的铝合金板表面粗糙化，可提高铝合金板-混凝土界面的粘结性能。姜德文等［8］通过对不同变量条件下的试件进行双剪试验，得到了试件剥离承载力、粘结界面破坏机理及界面粘结-滑移性能的演化规律，提出了三种无机胶粘贴铝合金板-混凝土界面的粘结-滑移本构关系模型。

2 铝合金材料在建筑结构中的应用

我国《铝合金结构设计规范》［9］指出：近几十年，铝合金作为一种具有诸多优点的新型建筑材料，可适应恶劣的建筑环境及现代工程结构的发展趋势，在结构工程应用中发展迅速。设计铝合金结构应从工程实际出发，合理选用材料、结构方案和构造措施，满足结构构件在运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求，并符合防火和防腐蚀等要求。

2.1 铝合金作为主体结构材料的应用

2.1.1 铝合金在桥梁结构中的应用

在桥梁结构中应用铝合金可追溯到1933 年。铝合金不仅可用于桥梁局部受力构件的附属构造和旧桥面系统的翻新与更换，还可用于桥梁的主体结构。20世纪60年代初，可挤压性和焊接性强的新型铝合金被应用到铝结构中，铝合金梁与混凝土桥面复合结构技术也得到了发展，美国和法国一些桥梁的建造都采用了铝合金-混凝土复合体系。杨建国等［10］对一座铝合金桁架式人行天桥进行荷载试验，检验了其承载性能和施工质量，表明高强铝合金可应用于大跨度人行天桥工程。铝合金在桥梁结构中的典型应用实例如表3 和图2所示。

表3 铝合金在桥梁结构中的应用实例Table 3 Application examples of aluminum alloy in bridge structures

图2 应用铝合金的桥梁Fig.2 Bridges using aluminum alloy

2.1.2 铝合金在空间结构中的应用

A.Formisano 等［11］介绍了将铝合金应用于建筑工程主体结构的一些优势，总结了他本人近年来在铝合金结构设计和创新方面尤其在铝合金构件、节点及抗震装置等方面的一些研究成果，强调了在建筑工程主体结构中用铝合金替代钢的应用潜力。将铝合金作为主体结构材料应用于大跨度空间结构具有较大优势，其在空间结构中的典型应用实例如表4和图3所示。

图3 应用铝合金的空间结构Fig.3 Spatial structures using aluminum alloy

表4 铝合金在空间结构中的应用实例Table 4 Application examples of aluminum alloy in spatial structures

2.2 铝合金作为结构加固材料的应用

2.2.1 铝合金筋配筋混凝土梁

目前，国内外关于用铝合金筋替代钢筋作为受力筋来加固混凝土结构的研究开展尚少，其应用可行性和有效性的相关试验研究也相对较少。邢国华等［12］通过对铝合金配筋新型混凝土梁进行四点弯曲单调静载试验，分析了各梁的破坏过程及破坏机理，研究了用铝合金筋替代钢筋作为底部纵筋加固混凝土梁的性能和可行性，并采用改进的截面分析和拉压杆模型对铝合金筋加固梁的受弯和剪切破坏模式进行了承载力预测。铝合金配筋新型混凝土梁中所使用的铝合金筋与普通钢筋对比如图4所示。

图4 铝合金筋与普通钢筋对比［12］Fig.4 Comparison between aluminum alloy bar and steel bar

2.2.2 外贴铝合金板加固钢筋混凝土梁

近年来，将铝合金用作外贴加固材料逐渐发展流行起来，外贴铝合金板可有效抑制钢筋混凝土梁裂缝的开展，并提高梁的抗弯强度和延性。A.Abu-Obeidah 等［13］对外贴铝合金板剪切加固受损梁进行四点弯曲试验，结果表明：外贴铝合金板加固可提高钢筋混凝土梁的强度和延性。J.A.Abdalla 等［14］对外贴铝合金板加固梁的研究表明：铝合金板可替代钢板或FRP 板作为外贴加固材料，并可有效提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力，且外贴加固时铝合金板的粘贴方向会显著影响梁的延性和承载力。许颖等［15］通过四点弯曲试验和数值模拟发现：外贴铝合金板对钢筋混凝土梁的抗剪加固效果和强度利用率随损伤程度的增加而下降。常见的外贴加固方式如图5所示。

图5 外贴铝合金板抗剪加固钢筋混凝土梁［2］Fig.5 Shear strengthening of reinforced concrete beams using externally-bonded aluminum alloy plates

2.2.3 嵌入式铝合金筋加固钢筋混凝土梁

外贴加固的局限性之一在于外贴加固材料暴露于环境中，容易从混凝土结构表面剥离。故基于外贴加固的研究基础，相关研究人员开始探索研究嵌入式铝合金筋加固技术的应用和优越性。嵌入式加固的方式如图6所示。

图6 嵌入式铝合金筋加固钢筋混凝土梁［16］Fig.6 Reinforced concrete beams strengthened with nearsurface mounted aluminum alloy bars

邢国华等［16］通过对不同参数变量下的6 根铝合金筋嵌入式加固钢筋混凝土梁的静力加载试验得出：嵌入式铝合金筋加固梁的刚度和抗弯承载力均有所提高，且均呈现延性破坏模式。苟海刚等［17］通过对铝合金筋嵌入式加固钢筋混凝土梁的单调静载试验发现：铝合金筋嵌入式加固梁受拉钢筋屈服后的变形能力好，发生延性破坏且受弯承载力有所提高。于晓光等［18］对不同铝合金筋配筋率及端部环包碳布锚固条件下的4 根铝合金筋嵌入式加固混凝土梁进行研究，结果表明：铝合金筋嵌入式加固可显著提高梁的承载力，环包碳布锚固可在提高梁承载力的同时防止加固筋发生剥离，提高位移延性。

2.2.4 体外预应力加固钢筋混凝土梁

钢绞线和高强钢丝用于体外预应力筋加固结构时暴露出自重大、易锈蚀等缺陷。高强铝合金筋的极限应力虽然比钢绞线和高强钢丝低，但其由于诸多其他优点而在特定环境下具有较强优势，可将其作为低温侵蚀等特殊环境下的体外预应力加固材料以达到良好的加固效果。宋启玺［19］通过对铝合金筋体外预应力加固混凝土梁受力性能的研究分析，提出了铝合金筋体外预应力加固梁的正截面极限承载力计算公式和体外预应力筋的配筋计算公式，并利用有限元软件对梁的受力全过程进行有限元模拟分析，通过比较试验结果和分析结果，验证了模型的准确性。邢国华等［20］通过对铝合金筋体外预应力加固混凝土构件受力性能的有限元分析得出：与传统体外预应力加固梁相比，铝合金筋体外预应力加固梁的极限承载力和延性都有所提高，变形性能也有所改善。

2.3 铝合金与其它材料的组合结构

2.3.1 铝合金管混凝土组合结构

在铝合金管中填充混凝土可形成铝合金管混凝土新型组合结构，铝合金管混凝土和传统混凝土柱相比有一定的优势，可有效利用两种材料的优点，提供高强度和高刚度。M.A.Al-mazini 等［21］通过对铝合金方管混凝土短柱的轴心受压试验分析了其承载力的变化特点，并借助有限元软件建立了柱的模型且验证了模型的有效性。李翔宇等［22］基于钢管混凝土柱轴压承载力的常用计算理论提出了7075 铝合金管混凝土柱轴压承载力的计算方法，并借助有限元软件对铝合金管混凝土柱的轴压性能进行了数值模拟计算及验证。张纪刚等［23］结合铝合金结构的诸多优点提出了一种新型铝合金管混凝土组合海洋平台，并对其频率变化和抗震性能进行了研究。

2.3.2 铝合金-FRP组合结构

铝合金与FRP 材性各有所长，将其合理组合可设计出力学性能更优、形式更多样、性价比更高的新型构件与结构，进而推动铝合金材料在建筑结构中的应用与发展。钱鹏等［24］证明了铝合金与FRP组合使用可在保持铝合金延性特征的同时显著提高构件的刚度和承载力，介绍了铝合金-FRP新型组合结构的应用，认为将两种材料搭配使用可扬长避短，使更大跨度和高度的工程结构有望实现。陈宇等［25］对CFRP 加固铝合金圆管混凝土进行纯面内弯曲试验，结果表明：用CFRP 加固的铝合金管混凝土试件其极限强度有所提高，但延性有所下降。CFRP 加固铝合金圆管混凝土如图7所示。

图7 CFRP加固铝合金圆管混凝土［25］Fig.7 CFRP strengthened concrete-filled aluminium alloy CHS tubes

3 铝合金应用的发展趋势预测

为推动铝合金材料在建筑结构领域的发展与应用，需对其存在问题和发展方向进行更深入的探索研究。

（1）关于材料性能：进一步研发合适的合金元素含量和合金材料种类，可更大程度地改善铝合金材料性能并保证多重优势性能的组合。应用于建筑结构中的铝合金可能处于诸如高温或低温、高湿和高腐蚀性等恶劣条件耦合作用的复杂恶劣环境中，因此亟需通过科学的分析手段交叉融合各学科相关知识，从宏观和微观层次分析其在恶劣极端条件下性能的衰变规律和劣化机理，从而研究采取合适的技术方法以提高结构的使用性能和耐久性。

（2）关于工程结构设计：在未来研究中，探讨如何将铝合金更好的应用于混凝土中，将两者优势互补以增强混凝土结构的整体性能具有重要的研究意义和应用价值。此外，可进一步考虑将铝合金同其它优异材料组合使用，协同工作以共同加固混凝土结构，使混凝土结构的使用性能得到有效改善。还可在应用铝合金方面不断进行设计创新，开拓发展各类新型适用、经济美观的铝合金结构及铝合金与其它材料的组合结构。

（3）关于循环利用：铝合金的循环利用率高，其正常回收率为30%左右，个人和其他渠道回收率在70%左右。但传统回收技术基本无预处理，造成环境污染，因此需针对铝合金材料的特性与建筑节能科学进行交叉研究，采取更合适的回收新技术尽可能使铝合金的回收利用率达到最高的同时减少环境的污染。

（4）关于相关规范的完善：铝合金相关规范的制定在国外已相对成熟［26］，但我国相关规范较为匮乏，不仅阻碍了铝合金结构在国内的应用和发展，也突出了我国需加快编制铝合金结构设计规范的必要性，而现已建成的各种铝合金结构均为编制工作提供了宝贵的工程实践资料。同时在现行规范GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》中还有诸多值得改进和完善之处，有必要在相关工程实践中发现问题，继续深入开展其研究工作并做补充。

4 结论

近年来，铝合金材料在建筑结构领域越来越受到重视，本文结合国内外学者对铝合金材料在建筑结构中应用的研究进展，着重对铝合金作为主体结构材料、结构加固材料及其与其它材料组合使用等方面进行了归纳和分析，得出了以下结论：

（1）铝合金因轻质高强、延性和耐腐蚀性好等优点，在建筑结构领域得到了广泛应用，将其作为主体结构材料或结构加固材料应用于低温侵蚀环境的建筑结构中不仅可改善结构性能，而且其应用操作简易，顺应绿色环保的要求；将铝合金同混凝土和FRP 材料组合使用优势互补，可降低工程造价，具有良好的经济效益和社会效益。

（2）人们对铝合金基本性能的认识仍在逐步加深，除基本的强度、刚度、与混凝土的粘结性能外，关于疲劳、断裂、高温和低温性能等的研究仍在逐步深入完善。

（3）铝合金基本结构与构件形式逐步多样化，可应用于桥梁结构及大跨度空间结构；可制成铝合金板或铝合金筋应用于混凝土结构的加固；也可制成铝合金管在内部填充混凝土形成铝合金管混凝土组合结构，还可考虑开拓发展铝合金-FRP组合结构。

（4）未来还需对铝合金及其结构的组成材料高性能化、多因素耦合作用下的耐久性、全寿命周期的设计、成本最优化及其作为绿色建筑材料的回收利用技术等方面进行深入研究，同时对其进行长期服役监测。

（5）为促进铝合金及其结构的科研成果在实际建筑结构中的推广应用，需尽快制定完善产品技术标准和相关设计规范，规范铝合金市场，促进其健康高速的发展。