铝的历史与应用：从稀有金属到建筑材料的演变

亨利多利动物园沙漠穹顶（美国加利福尼亚州，2002 年）

铝是地球上含量最丰富的金属元素，占地壳总量的7.5%。但由于铝冶炼难度大，曾一度极为稀有，价值超过黄金。一百多年前，英国皇家学会制作了一个比黄金还值钱的奖杯——铝杯，赠送给俄罗斯化学家门捷列夫（第一张元素周期表的制作者），以表彰他在化学领域的成就。化学。突出贡献。

直到1886年，美国的查尔斯·马丁·霍尔和法国的LT·赫鲁特才独立发明了电解铝的冶炼技术。该方法投产后，金属铝产量迅速增加，价格大幅下降。从此，就进入了平凡的世界。在人们的日常生活中。

铝用于建筑行业已有 100 多年的历史。最早用作建筑装饰材料，如门窗框、玻璃幕墙框架、建筑外墙铝板、建筑立缝屋顶等。20世纪30年代，铝合金被用于承重和维护结构的建筑物。如今，铝合金已成为除钢材之外应用最广泛的建筑金属材料。每年全球约 27% 的铝产量用于建筑业。目前，铝合金作为承重结构材料的应用越来越多，如桥梁、仓库、空间结构等。

1951年，英国建造了世界上第一个铝合金圆顶“发现圆顶”。网格壳直径111m，高27m。这是当时世界上最大的圆顶。

发现圆顶（英国伦敦，1951 年）

发现圆顶的建造

纯铝延展性好，但强度较低，一般仅用于常温下的低应力结构。为了提高纯铝的性能，人们在纯铝中添加各种金属元素，制成各种铝合金。结构铝合金通常是铝、镁、硅的合金。

铝合金设计树

铝合金可分为锻铝和铸铝两大类。前者涉及未熔化的铝坯的热或冷成型，而后者涉及将熔融铝液倒入模具中，然后将其铸造成型。结构常用的铝合金是锻铝。锻造铝合金牌号通常用四位数字表示，命名规则由美国铝业协会（AA）于1954年提出。不同牌号锻造铝合金的强度、延展性、耐腐蚀性等性能因材质的差异而有所差异。它们的化学成分（铝元素和其他少量添加元素）。

其中6xxx系列含有镁和硅元素。该系列铝合金具有良好的耐蚀性和与Q235钢相似的强度，且易于挤压成型。建筑结构中使用的大部分铝合金型材都属于该系列，如6061-T6铝合金广泛应用于铝合金建筑结构中。

建筑用锻造铝合金型材

铝合金与钢力学性能比较

两者都是金属材料，铝合金与我们熟悉的钢具有相似的性能。因此，小i将铝合金和钢的力学性能进行对比，让大家有个直观的了解。

钢结构设计大家都已经很熟悉了。下面我们通过铝结构与钢结构的对比来简单介绍一下铝合金结构设计的特点。

低密度

铝的密度约为钢的三分之一。这对于自重占比较大的建筑结构设计来说无疑是一大优势。因此，铝合金结构通常给人一种轻盈的外观。

低弹性模量

铝合金的弹性模量只有钢的三分之一，所以铝合金比钢结构更容易弯曲，而且规范中的稳定系数也比钢结构低很多（想想我们常见的罐头）。因此，变形和稳定性是铝合金中比较常见的问题，其材质轻的优势被大变形所抵消。

可焊性差

设计钢结构焊接时，焊缝可以与构件一样坚固，但铝合金焊接会显着降低材料的强度和延展性，因此铝合金连接中常采用机械连接。在实际设计中，无法焊接会让习惯钢结构设计的工程师难以适应。例如，如果要将连接板连接到组件上，则需要添加螺栓孔，而螺栓孔会削弱组件的强度。这时，工程师的心都碎了。

挤压

铝合金非常柔软，因此与传统钢结构生产中常用的轧制和焊接不同，铝合金通常采用挤压成型。当上帝关上一扇门时，他总会打开一扇窗。独特的挤压工艺可以生产各种复杂截面的构件，我们需要的各种连接器可以通过挤压与主体结构融为一体。同时，铝合金构件和节点可以批量预制，然后进行组装。这种生产模式非常适合我们现在提倡的工厂化装配结构。对于具有大量重复特征杆件和节点的大型铝合金空间结构具有很大的优势。适用性好。

耐腐蚀

铝合金也有一个主要优点。铝合金本身在空气中可形成致密的氧化膜，因此铝合金一般不需要特殊的防腐处理。与钢结构相比，节省了油漆费用，也减少了后期维护成本。因此，铝合金常用于游泳池、石油化工等腐蚀性要求较高的建筑。

默里体育中心（美国纽约，1973 年）

雷诺兹森林鸟舍

（美国北卡罗来纳州，1982 年）

线膨胀系数大

铝合金的线膨胀系数约为钢结构的2倍。结合铝合金低弹性模量、低强度的特点，在设计中温度效应会比钢结构更加突出。对于超长铝合金结构，温度效应很可能成为主要控制载荷条件。

卡拉-博克林（美国 2015）

回收率高

同时，铝合金材料易于回收利用，再加工成本低，重复利用率高，回收价值高。它们是节能、环保、绿色材料。实际生产中的边角料可以以较高的价格回收利用，减少铝合金结构的损耗成本。

由于铝合金具有重量轻、造型美观、耐用性好、易于维护、易加工等一系列优点，在建筑工程中得到日益普及和应用。铝合金桥梁、铝合金穹顶等结构也成为近年来结构设计的热点。下面，小i列出了国内外有代表性的铝合金案例，供大家分享和交流。

铝合金桥

铝合金结构桥梁在桥梁工程中的应用已有70多年的历史。世界上第一座全铝桥于1946年在美国纽约马塞纳附近建成。1950年在加拿大魁北克省阿尔维达建成铝合金顶承拱桥，主跨88.6m，弧垂高度14.5m，弧垂跨比约为1/6，桥梁全长153m，桥梁桥面宽度10.36m，并有拱圈和拱门。上部立柱和桥面采用2014-T6铝合金，自重约150吨，比原规划钢拱桥轻56%。迄今为止，该桥保持着世界铝合金桥跨度纪录并仍在使用。

阿维达桥（加拿大魁北克省，1950 年）

与普通钢桥相比，铝合金桥梁具有重量轻、防腐、回收成本低等优点，因此可以节省运输、吊装、防腐、维护等成本。同时，材料强度与材料密度之比较高，只需少量增加重量即可获得较大的承载力，有效增强了桥梁承受活载的能力，对加固桥梁十分有利。现有的桥梁。

但由于铝合金弹性模量较小，刚度问题将成为设计中较为突出的问题，从而限制了其在大跨重载桥梁中的应用。同时，铝合金材质比较软，容易出现划痕。在重复载荷作用下，在划痕范围内很可能发生疲劳损伤。

中国第一座铝合金桥是杭州庆春路的铝合金人行天桥。下图是北京西单的铝合金人行天桥。目前，铝合金越来越多地应用于国内桥梁相关领域。

铝合金空间结构

从国内外铝合金空间结构的案例研究可以看出，铝合金主要应用于以压应力为主的球壳结构。小i认为，这主要是由于铝合金连接节点的特殊结构所致。由于焊接会导致铝合金强度显着下降，因此铝合金常用的连接方式是盘式连接。即用螺栓将上、下圆弧形盘盖与杆的上、下法兰连接，但腹板不连接。

铝合金圆盘连接节点

这种连接方式注定了接头不能像构件一样坚固，接头的抗剪能力较弱。因此，不适合用于主要承受弯曲的梁结构，以及因拉应力而对节点要求较高的张拉结构。球壳结构以压应力为主，构件设计为稳定控制，节点要求低。因此，铝合金结构特别适用于主要承受压力的球壳结构。

凯撒圆顶夏威夷乡村酒店

（直径44.2m，美国夏威夷，1957年）

史基浦机场航空博物馆

（直径68m，荷兰阿姆斯特丹，1971年）

奥兰多华特迪士尼世界的 Epcot 宇宙飞船地球（直径 50m，美国佛罗里达州，1982 年）

上海马戏城（直径50.6m，上海1999年）

在一般结构中，主体结构和维护结构之间需要中间转换子结构（檩条）。由于铝合金结构为挤压成型，维护结构可直接与主体结构联锁。简化结构层数，减少施工环节，减少材料消耗，提高施工速度。例如，亨利多利动物园沙漠穹顶是铝合金外膜结构，即主材料挤压时，膜结构连接卡口是整体挤压的。

铝合金一体连接结构

亨利多利动物园沙漠圆顶

（直径 76.2m 美国加利福尼亚州 2002 年）

近年来，随着计算技术的快速发展和铝合金加工安装技术的日益成熟，铝合金结构在国内外更多的新型、大型工程中得到应用。比如新打造的英航i360，采用铝合金与玻璃结构相结合，外观极其通透轻盈。

英国航空 i360（162 米高 UK 2016）

牛首山佛顶宫主体为铝合金结构，外覆异型铝板装饰，铝穹顶尺寸为147mx98m。大穹顶建筑长度为251米，构件最大高度为550毫米。它是单层铝合金格壳，其跨度创造了世界首创铝合金结构。

牛首山佛顶宫（南京2016）

经过半个世纪的发展，铝合金结构在计算理论和工程应用方面已日趋成熟。同时，随着铝合金材料价格逐年下降，其综合经济优势日益明显。通过今天的粗略介绍，希望大家在以后的设计中遇到合适尺寸的建筑时，脑海中会闪现出铝合金结构的选择。

由于铝合金结构是一种新材料，小i也在边学习边总结。如果您对什么感兴趣或者有什么不足的地方，欢迎您在文末留言。

参考：

1.铝结构（规格和设计指南）

J.兰道夫·基塞尔，罗伯特·L.费里。

2.铝合金空间网格结构研究现状及关键问题。杨连平等.

3、铝合金结构的连接与设计方法分析。张桂香等.

4、简要概述铝合金结构的研究现状。沉祖彦、郭晓农等

5、建筑结构——铝合金结构在大跨度建筑领域的应用。

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