1、文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0046-10低层铝合金框架结构的工程应用与研究进展支新航1，王元清1，张颖1，李贝贝1，王中兴2，欧阳元文3(1.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京100084；2.天津大学建筑工程学院，天津300350；3.上海通正铝结构建设科技有限公司，上海200012)摘要：铝合金材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，已广泛应用于建筑结构。而我国铝合金框架结构的应用尚处于起步阶段。为推动铝合金框架结构的应用发展，铝合金梁柱连接节点与结构体系的抗震研究有待进一步开展。该文调研了铝合金框架结构的工程应用实例，综述了铝合金梁柱节点与框架结构的研究
2、现状，对一个原型框架开展了弹塑性推覆分析与动力时程分析，评估了其抗震性能。该文可为进一步开展铝合金框架结构的相关研究、设计与应用实践提供参考。关键词：铝合金；框架结构；梁柱节点；工程应用；文献综述中图分类号：TU395文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.S040ENGINEERINGAPPLICATIONSANDRESEARCHPROGRESSOFLOW-RISEALUMINUMALLOYFRAMESZHIXin-hang1,WANGYuan-qing1,ZHANGYing1,LIBei-bei1,WANGZhong-xing2,OUYANG
3、Yuan-wen3(1.KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300350,China;3.ShanghaiTongzhengAluminumStructureConstruction&TechnologyCo.,LTD,Shanghai200012,China)Abstract:Aluminumal
4、loyshavebeenwidelyusedinstructuralengineeringbyvirtueoflightweight,highstrengthandgoodcorrosionresistance,whiletheirapplicationsinframesarelimited.Inordertopromotetheapplication and development of aluminum alloy frames,researches are needed on the seismic behavior ofaluminumalloybeam-to-columnjoints
5、andframes.Thusly,engineeringapplicationsandresearchesonaluminumalloybeam-to-columnjointsandframesarereviewed.Elastoplasticpushoverandtime-historyanalysesonanaluminumalloyframearecarriedouttoevaluateitsseismicperformance.Areferenceisthuslyprovidedforthefurtherresearch,design,andapplicationofaluminuma
6、lloyframes.Keywords:aluminumalloys;frames;beam-to-columnjoints;engineeringapplication;researchreview铝合金材料具有轻质高强、耐腐蚀、可循环利用、外表美观等系列优点1，20 世纪 50 年代左右，铝合金材料开始被逐步应用于建筑结构之中2，截至 2006 年，世界上就已建成约 6000 座铝合金空间结构3。据统计，目前全球约 1/4 的铝合金产量用在了建筑领域，进一步表明铝合金材料在建筑结构领域的广泛应用与广阔前景。自 1995 年来，铝合金材料冶炼工艺的进步减少了 75%以上的能源需求，减少了近
7、40%的碳排放量4，同时，得益于优越的耐腐蚀性能，结构用铝合金几乎可以被 100%回收再利用，是一种“绿色”的金属材料。在我国实现“双碳目标”的基本国策收稿日期：2022-05-27；修改日期：2023-01-16基金项目：国家自然科学基金项目(51878377，52178146)通讯作者：张颖(1996)，女，河北人，博士生，主要从事铝合金结构研究(E-mail:).作者简介：支新航(1998)，男，四川人，博士生，主要从事铝合金结构研究(E-mail:);王元清(1963)，男，安徽人，教授，博士，主要从事结构工程研究(E-mail:wang-);李贝贝(1992)，男，安徽人，博士，主要
8、从事结构工程研究(E-mail:LBBHFUT);王中兴(1992)，男，辽宁人，副研究员，博士，主要从事结构工程研究(E-mail:zhongxing_);欧阳元文(1977)，男，上海人，教授级高工，硕士，主要从事铝合金结构设计与施工等研究(E-mail:oyywtal-).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS46下，铝合金的应用在降低建筑业碳排放量方面具有重要意义。铝合金在以下的结构工程中具有竞争优势5：1)大跨空间结构6；2)处于腐蚀或潮湿环境中的结构，如近海工程等；3)偏远地区结构；4)可移动或需快速装配
9、的结构。目前铝合金在在空间网壳结构中的应用最为广泛，如现代五项击剑游泳馆7、佛顶宫8、G60 科创云廊9等。近年来，随着建筑装配效益的日益凸显和国人对建筑品质需求不断提升，将铝合金推广应用于更为普遍使用、量大面广的低层和多层框架结构中具有重大意义。如低多层装配式铝合金办公楼、住宅楼、景点建筑、模块化集成建筑、可拆卸异地重建用房等。同时，铝合金适合快速拼装和运输，可用于有快速施工要求的框架结构中，在抢险救灾、突发性公共卫生事件、国防军事等特殊场景中发挥独特优势。广东铝遊家科技有限公司自 2012 年创立以来就一直致力于推进铝合金住宅、铝合金移动屋的应用，其开发的模块化铝合金移动屋在广州、湖南、云
10、南等地已有多个工程应用实例。2019 年，铝遊家科技有限公司还参与编制行业规范装配式铝合金低层房屋及移动屋10，推动了铝合金低层房屋工程应用的进一步发展。目前关于铝合金框架结构的工程应用尚处于起步阶段，相关的基础研究还十分有限，亟待深入系统地开展。本文从铝合金框架的工程应用实例、铝合金梁柱节点以及框架体系的研究现状三方面调研了铝合金框架结构的研究进展，并对一个铝合金框架开展了算例分析，为铝合金框架结构的科学研究与工程应用提供参考。1铝合金框架的工程应用实例2000 年，ToyoIto 和 MasatoAraya 设计建成了日本第一个 2 层全铝合金结构住宅11，如图 1所示。框架梁采用挤压中空
11、 H 形截面，框架柱采用十字形截面外套方形套筒增加柱子的承载力与刚度，梁柱节点通过全螺栓连接。柱间设置了拉索柔性支撑以增加框架结构抗侧刚度。事实上，在建造这座住宅的时候，铝合金还没有被日本建筑结构设计规范正式接受，2 年后，日本国土交通部发表通告允许了全铝合金结构的使用。2005 年，日本建筑师 YasuhiroYamashita 设计了一座单层铝合金住宅，整个铝合金框架住宅建在一个钢筋混凝土平台上，如图 2 所示。梁柱构件统一采用 70mm210mm 挤压型材，通过螺栓与预应力索进行拼装。这也是全世界范围内首次将预应力技术应用到铝合金框架结构中。图1日本第一个两层全铝合金框架结构住宅Fig.
12、1Thefirsttwo-storyaluminumalloyframeinJapan图2日本某单层铝合金框架结构住宅Fig.2AsinglestoryaluminumalloyframeinJapan希腊于 2005 年建成欧洲第一个铝合金框架住宅12，如图 3 所示。该框架结构共两层，除柱间交叉支撑采用钢材，其他结构均使用 6082-T6 铝合金。框架柱采用异性截面，框架梁采用桁架结构，梁柱通过螺栓和扣件拼装形成节点。整个框架结构采用全螺栓连接，为满足高烈度抗震设防要求，在两个方向上均设置了多道刚性支撑。(a)结构施工现场(b)梁柱节点细节图3希腊某两层铝合金框架结构Fig.3Atwo-s
13、toryaluminumalloyframeinGreece2006 年，KieranTimberlake 建筑设计公司在美国马里兰州设计建造了一座 3 层铝合金框架住宅，如图 4(a)所示。底层为木结构架空层，在现场施工完成；二、三层为铝合金框架结构，梁柱通过螺栓与连接件拼接，节点如图 4(b)所示。为增加框架抗侧刚度，还布置了几道柔性支撑。二、三层在工厂完成 70%预制后运输至现场完成最后拼装。工程力学47(a)建筑外观(b)梁柱节点 图4美国某三层铝合金框架结构住宅Fig.4AthreestoryaluminumalloyframeinAmerica2008 年，同样由 KieranTi
14、mberlake 建筑设计公司于美国纽约设计建成了一座 5 层铝合金框架住宅13，并作为展品参与纽约现代艺术博物馆关于装配式建筑主题的展览，如图 5(a)所示。整个框架结构采用全螺栓连接，装配率 100%，梁和柱均采用异性截面铝合金型材，通过定制的连接件与螺栓拼装形成节点，如图 5(b)所示。每层框架在工厂完成 80%的拼装，然后由卡车运往现场完成上下层之间的拼接，仅耗时 6 天便完成整个框架的拼装。展览结束后，框架在 2 天时间内被全部拆卸，构件被 100%回收。同年，该铝合金框架结构凭借其独特的建筑美感以及全装配可拆卸的绿色理念获得了美国建筑师协会费城分会金奖。2铝合金梁柱节点研究现状梁柱
15、节点是框架结构中的关键部位，一旦发生破坏很可能引起结构的倒塌。表 1 汇总了目前国内外有关铝合金梁柱节点的研究。MATUSIAK14通过系列单调拉伸试验对铝合金焊接梁柱节点开展了试验研究，但是节点的梁构件只有翼缘板部分，并非真正意义上的梁柱节点。此后，WANG 等15、BRANDO 等16对MATUSIAK的节点试验进行了数值模拟，提出了几种精细化模拟焊接铝合金结构的方法，如考虑 6061-T6 铝合金材料的非各向同性塑性行为、变厚度的壳单元的使用等。并通过大量参数分析，基于 EC3 提出了适用于焊接铝合金梁柱节点的柱腹板的抗拉强度的计算公式。DEMATTEIS 和 BRANDO17以端板连接
16、的梁柱节点为例，对“组件分析法”进行了讨论，并综述了现有关于铝合金梁柱节点“组件”的研究现状，总结提出了为完善铝合金结构“组件分析法”应继续开展的研究方向。HRI等18对焊接 6082-T6 铝合金梁柱节点开展了有限元分析，基于节点弯矩-转角曲线研究了焊接以及是否有柱加劲肋对节点受力性能的影响。(a)建筑外观(b)梁柱节点图5美国某五层铝合金框架结构住宅Fig.5AfivestoryaluminumalloyframeinAmerica表1铝合金梁柱节点研究汇总Table1Summaryofresearchonthealuminumalloybeam-to-columnjoints年份学者研究方法铝合金牌号节点连接形式梁柱截面1999MATUSIAK14试验研究6082-T6焊接柱：工形截面；梁：翼缘板2007WANG等15数值模拟6082-T6焊接柱：工形截面；梁：翼缘板2015BRANDO等16数值模拟6082-T6焊接柱：工形截面；梁：翼缘板2015蒋首超和张锦骁19试验研究6061-T5/T6焊接箱形截面2016DEMATTEIS和BRANDO17文献综述2018宁秋君20试验
