低碳建筑铝合金塔架结构稳定承载力研究现状

低碳建筑铝合金塔架结构稳定承载力研究现状

许嘉情,李玉丰,姜芮,袁嘉阳,赵嘉贺，巴颖

华北理工大学建筑工程学院，河北唐山，063210 通讯作者，巴颖

摘要：本文主要介绍了国内外关于低碳建筑铝合金塔架结构构件稳定承载力的研究历史和研究现状，在此基础上综述了铝合金压弯构件平面内稳定承载力、平面外稳定承载力、铝合金构件局部稳定性问题及研究方法进行了简述。我国铝合金及其结构的发展有赖于构件稳定理论的发展和规范的精细化，综合考虑经济性和安全性，铝合金结构稳定承载力设计应考虑构件的整体和局部稳定。

关键词：铝合金，稳定性，塔架，局部稳定，承载力

1. 引言

铝合金是目前世界上最理想的绿色建筑结构材料，在目前所有的建筑材料对比中具有无可比拟的优势。铝合金比钢结构更易挤压成型，与钢铁相比，铝合金具有良好的塑性和可成形性，可用各种压力加工方法在冷、热状态下大批量加工成各种规格和形状的、精密空心的和实心的、恒断面和变断面的型材、管材、棒材、板材、锻件、模锻件及冲弯件等，而且能使构件截面形式更加合理。铝合金结构抗腐蚀、经久耐用。铝合金材料回收成本很低，可循环再次利用率大，回收率可达到90%以上，是典型的绿色环保材料。铝合金比钢结构节约土地和建筑成本同等跨度情况下，结构断面大幅减小（约为钢结构的1/8截面），可增加建筑物6%左右的使用面积，减少10%左右空间浪费，节约土地和能源，同时大大节约建筑施工成本。

2. 铝合金结构的设计和使用

铝合金结构因其特有的优点，在国内外的应用越来越多：铝合金材料能够弥补钢材耐蚀性差的缺点，并且自重轻、低温韧性好、可挤压成型，能够循环利用。但是，铝合金的弹性模量低，仅为普通钢材的三分之一左右，因此，铝合金结构的稳定问题尤为突出。从20世纪40年代国内外就开始了对铝合金结构的研究。经过近70年的发展，铝合金结构的研究已经比较成熟，从铝合金的材料特性、构件计算、连接设计、防火设计，到铝合金结构的整体计算，都有相当多的研究成果。目前国外研究热点多集中在铝合金的局部稳定、铝合金的疲劳问题、受弯构件的变形性能和铝合金结构的连接等方面[1]。

英国剑桥大学对铝合金焊接型材的残余应力进行了研究，发现最大残余压应力为基准应力的20%左右，他们还给出了典型的H型截面、箱型截面的残余应力模型。为了确定铝合金轴压构件的极限承载力，美国早在20世纪30～40年代就进行了大量的轴心受压构件试验，不过当时的试验手段比较陈旧，因此仅给出了一些定性的结果；20世纪60年代前后，美国又进行了一批焊接铝合金轴心受压构件试验，并给出了焊接构件稳定系数的计算公式。欧洲对铝合金轴心受压构件的系统试验研究开始于1970年之后。国外对轴心受压构件的后期的研究主要集中在非对称截面杆件、变截面杆件的整体稳定问题以及新规范的修订工作上。纵观欧洲各国现行规范，轴心受压构件稳定系数的计算公式基本上都采用了PERRY公式最早对受弯构件整体稳定性进行研究的同样是美国。在1950年以前，美国就进行了大量的铝合金受弯构件的试验，并给出了计算受弯构件整体稳定性的拟合公式[1]。

3. 铝合金构件稳定性分析

与钢结构类似，铝合金结构设计方面的许多问题都与稳定有关。由于铝合金的弹性模量只有钢材的三分之一，变形和屈曲问题变得更加突出。加上铝合金材料成本较高，限制受压板件的宽厚比，虽然可以保证构件在整体失稳前不发生局部屈曲，但无法利用板件的屈曲后强度，且较小的宽厚比也使得设计出的截面很不经济。考虑到结构的经济性，型材截面往往设计得较为弱薄，其局部稳定问题也更为显著。

3.1铝合金构件平面内稳定承载力

试验过程中，当荷载较小、试件处于弹性变形状态时，轴压试件跨中截面各处的纵向应变基本比较均匀，纵向应变的增加基本上与荷载成正比；偏压试件的挠度增长与荷载成线性变化，且偏心距大的试件挠度变化快。随着荷载增大，轴压试件的纵向应变分布开始趋于不均匀，且增长加快，截面平均应力与纵向应变平均值的关系仍保持为线性：偏压试件的挠度增长相对于荷载开始变快，且偏心距越大则挠度增长开始变快得越早[2]。

当荷载接近极限承载力时，试件均突然发生平面内整体弯曲失稳并随即完全丧失承载能力。此时试件的跨中挠度都很大，卸载后试件的挠度都有一定程度的缩小，属于弹性变形恢复。

3.2铝合金构件平面外稳定承载力

当荷载较小，试件处于弹性变形状态时，试件跨中截面的面内挠度和面外挠度的增长与荷载呈线性变化，面内挠度的增长明显快于面外挠度的增长，且面内偏心距大的试件挠度变化快。随者荷载增大，试件的挠度增长相对于加载开始变快，且后期面外挠度发展的非线性较面内挠度明显得多。由于试件较短且绕强轴受弯，故在试件破坏前的加载过程中，目测均较难观察到试件的变形。当荷载接近极限承载力时，试件的面外挠度发展非常快，试件均突然发生平面外整体弯扭失稳并随即完全消失承载能力[3]。此时试件跨中截面的面内挠度和面外挠度都很大，卸载后试件的挠度都有一定程度的缩小，属于弹性变形恢复。由于试件截面翼缘和腹板等板件的宽厚比均较小，试验过程中所有试件均末发生局部屈曲现象。

3.3 铝合金构件局部失稳

目前，国外对铝合金轴心受压构件局部稳定性进行了一定的研究，给出了不同的设计方法及相应规范。国内在这方面起步较晚，对局部稳定的研究成果很有限，我国《铝合金结构设计规范》GB 50429-2007[4]对于受压构件局部稳定这一方面，主要还是参考国外的研究成果及设计规范。

欧洲规范EN 1999-1-1: 2007根据板件的宽厚比系数将截面分成4类：延性截面、厚实截面、非厚实截面以及薄壁截面，若为薄壁截面，则采用有效截面法对板件厚度进行折减，以此考虑局部屈曲引起的承载力降低。中国规范中局部稳定设计方法主要是参考国外的研究成果和欧规规范中给出了受压板件全部有效的最大宽厚比，若超过此限值，则采用有效截面法对板件厚度进行折减，在确定有效截面的基础上进行强度及整体稳定验算。《美国铝合金设计手册》采用许用应力法或抗力系数设计法进行设计．许用应力法根据截面类型、材料热处理方式、失稳形式、是否焊接、板件宽厚比计算许用应力。抗力分项系数法的思路和许用应力法相同，只不过采用抗力分项系数代替许用应力法中的安全系数。澳大利亚/新西兰规范采用许用应力法或极限状态设计法。总体思路与美规一致，区别在于澳规引入了系数kc对屈服强度进行折减，而美规无此项要求。

考虑到结构的经济性，型材截面往往设计得较为弱薄，其局部稳定问题也更为显著。因此，铝合金结构稳定承载力设计应考虑构件的整体和局部稳定[5]。

4. 结语

铝合金材料具有自重轻、低温韧性好、可挤压成型，能够循环利用的优良特性。但铝合金的弹性模量低，作为结构材料，铝合金构件的稳定性问题尤为突出。本文总结了国内外学者研究成果，并借监国外铝合金结构规范和我国钢结构设计规范，对铝合金结构压弯构件的稳定承载力进行详细分析。从整体的面内失稳和面外失稳、局部失稳进行了阐述。考虑到结构的经济性和安全性，铝合金构件稳定承载力设计应考虑综合考虑整体和局部稳定。

参考文献

[1]沈祖炎 铝合金结构研究现状简述 2007 28(6)

[2] 胡日钦毕力格, 角型高强铝合金轴心受压构件稳定承载力研究, 哈尔滨工业大学, 2013.6.

[3] 常婷, 铝合金轴心受压构件局部稳定与相关稳定性能研究, 清华大学, 2014.6.

[4] 中华人民共和国建设部. GB 50429-2007 铝合金结构设计规范, 北京, 中国计划出版社, 2008.

[5] 赵远征, 6082-T6铝合金偏压、受弯构件力学性能研究及可靠度分析, 哈尔滨工业大学, 2020.5.