介绍了铝合金材料的力学性能及其与钢材的比较。回顾了铝合金结构的应用历史：20 世纪 40 年代起美国、英国、德国等发达国家开始兴建铝合金桥梁。50 年代起，英、美、苏联等国开始将铝合金材料应用于机库、植物园、仓库、博物馆等各类民用建筑中，且大都采用板式节点和穹顶结构体系。我国改革开放后的 1996—2010 年，兴建了近 20 座铝合金结构，其中约一半采用了引进的板式节点穹顶，另一半自主研发了铝合金螺栓球网架结构。自 2010 年以来的十多年，铝合金结构在我国得到了快速发展，迄今已经建造了 30 余座铝合金网格结构。虽然板式节点形式已成为铝合金网格结构的主流形式，但各类具有较大抗剪、抗弯刚度的新型板式节点也得到了研究和应用，铝合金网格结构的穹顶外形也被拓展应用至自由曲面外形、平屋面、大开口扁壳、悬挂外形等。高度大于 500 mm的工字形和“ 日” 字型截面等生产设备和工艺研发成功，并在实际工程中得到了应用。在原国家规范《铝合金结构设计规范》和《铝合金结构施工质量验收规范》基础上合并修编的国家标准《铝合金结构技术标准》也编制完成等待出版实施。我国铝合金网格结构从引进、模仿到自主创新，已经发展成为研究和应用的大国和强国。

铝是地壳中丰度第三大的元素（仅次于氧和硅），也是丰度最大的金属元素，在地球的固体表面中约占 8% 的质量。电解制铝法的发明使得铝金属可以工业化大规模地生产。21 世纪以来，随着铝工业技术及装备水平的提高，全球原铝产量迅猛增长，从 2000 年的 2 466 万 t 增长到 2020 年的 6 533 万 t。中国电解铝工业自改革开放以来也得到了飞速发展，目前已成为电解铝的主要生产国，产量占全球的比例从 2000 年的 11.3% 增长到 2020 年的 57.2%，如图 1 所示。

图1　世界电解铝产量分布　万t

结构用铝合金材料一般是 6 系、7 系等高强度材料。6 系材料是以镁和硅为主要合金元素并以 Mg₂Si 相为强化相的铝合金，7 系材料是以锌为主要合金元素的铝合金。图 2 列出了钢材和铝合金材料的本构关系曲线，表 1 给出了相关力学指标的比较。

由图 1 可得到铝合金材料与钢材的几个对比特征：

1) 铝合金材料的自重、弹性模量和剪切模量均为钢材 1/3 左右。

2)钢材有明显的屈服平台，而铝合金材料没有，屈服强度一般取 ε = 0.2% 时的应力 σ_0.2 作为名义屈服强度。结构铝的名义屈服强度略低于 Q235 钢材的屈服强度，但高强铝的名义屈服强度可高达 300 MPa 以上。

3) 钢材的断裂延伸率 δ 远大于铝合金材料，但铝合金的断裂延伸率 δ 均大于 5%，与钢材一样属于塑性材料。

除了以上力学性能之外，铝合金材料的耐腐蚀性能远优于钢材，但其焊接热影响效应明显、构件截面通常大量采用挤压成型。铝合金材料的以上性能决定了其可以作为建筑结构材料使用，对于要求结构自重轻、防腐蚀性能要求高、无磁要求、低温环境、结构精美度要求高、结构表皮一体化程度高、装配率要求高、低碳可循环等使用环境，铝合金往往会成为首选的材料。

图 2 钢材与铝合金材料的本构关系比较

早在 1946 年，美国纽约兴建了全球第一座全铝人行桥（图 3）。在 1946—1963 年，全美共建成 9 座铝合金人行桥，其中尚有 8 座仍在使用中。1950 年加拿大魁北克省阿尔维达建成了一座铝合金上承式拱桥（图 4），主跨 88.6 m， 矢高 14.5 m， 矢跨比约 1/6，桥梁全长 153 m，桥面宽 10.36 m，拱圈、拱上立柱、桥面板均采用 2014-T6 铝合金制造， 质量约 150 t，较原计划修建的钢拱桥， 质量减轻 56%。到目前为止，该桥保持着世界铝合金桥跨度记录，并且仍在使用之中。1949—1985 年间，英国建造了约 35 座铝合金结构桥梁，图 5 为 1948 年建成的亨顿坞铝合金开启桥。1950—1970 年间，德国建造了约 20座铝合金结构桥梁。

图 3 马塞纳大桥

图 4 阿尔维达铝合金上承式拱桥

图 5 亨顿坞铝合金开启桥

铝合金材料在民用建筑业中的应用已经有近100 年的历史，在建筑承重结构中的应用始于 20 世纪 50 年代^[1] 。1951 年，英国建造了伦敦机场的特大型铝合金机库，机库宽 33.5 m、长 137 m；1953 年，英国建造了另一个平面尺寸为 66 m×100 m 的铝合金机库；1959 年，苏联在莫斯科萨克尼利卡公园内建造了一座直径 60 m、高 27 m 的铝合金网壳，整个结构的材料用量约为 16 kg/m² ；1958 年，比利时建成了一座平面尺寸为 80 m×250 m 铝合金商业仓库屋盖。

1951 年，英国使用铝合金材料建造的探索穹顶是当 时 全 球 最 大 的 铝 穹 顶 结 构 之 一，直 径 为111.3 m，矢高 27.4 m，覆盖面积 10 117 m²，开创了铝合金穹顶结构应用的先河（图 6） 。1964 年，美国人巴克敏思特·富勒先生首创了短程线球面穹顶概念，此后铝合金短程线球面穹顶结构在美国应用日趋广泛，如 1960 年的圣路易斯密苏里植物园（图 7）、1969 年的位于温哥华的布鲁代尔花鸟保护园（图 8）、1974 年的云彬鹤机库（图 9 ） 、1975 年的美国海军南极军用观察站（图 10 ） 、1981 年的丰田博物馆（图 11） 等。迄今为止，美国建成并仍在使用的铝合金单层网壳建筑有近万座之多，绝大多数采用板式节点体系。1971 年，由建筑师 Riphagen 设计的荷兰史基浦航空博物馆（图 12），采用了富勒先生的短程线穹顶设计方法，该穹顶跨度约 68 m、高 24 m，展开面积 3 600 m²，采用了铝合金结构，成为欧洲第一个短程线铝合金穹顶建筑。

图 6 英国探索穹顶

图 7 圣路易斯密苏里植物园温室

图 8 布鲁代尔花鸟保护园

图 9 云彬鹤机库

图 10 南极军用观察站穹顶

图 11 丰田博物馆

图 12 史基浦机场航空博物馆

1983 年建成的长滩穹顶直径达 126 m（图 13），矢高约 40 m，覆盖面积 12 542 m²，是当时世界上最大的铝合金建筑。穹顶周边的节点支座连接在预先埋入混凝土中的钢梁宽翼缘上，穹顶外部由自维护结构覆盖，内部由绝热、隔声的玻璃纤维材料组成^[2] 。

图 13 长滩穹顶

1990 年建于美国加利福尼亚州的石灰岩仓库高 24 m，周边由高 5.58 m 的钢结构边墙支撑（图14）。穹顶采用联方型网格，建筑外部有 7 个天窗、8 个门，还有一个运输石灰岩的通道，能够储存55 000 t 的石灰岩^[2] 。

图 14 石灰岩仓库穹顶

1991 年建于美国亚拉巴马州立大学的身体健康综合教育基地采用了短程线性铝合金穹顶（图 15），建筑面积有 20 460 m² 。这个穹顶能够承受1 780 kN 的悬挂荷载，其中包括了马道荷载、通风管道荷载、各种分离的悬挂荷载和一个提供照明和音像设备的铝合金网格结构^[2] 。

图 15 亚拉巴马州立大学教育基地穹顶

美国以及其他国家兴建的铝合金网格结构大多采用美国康奈公司发明的 TEMCOR 板式节点，连接构件为工字形铝型材。由于板式节点所连接的构件在节点域都是中断的、抗剪刚度不连续，所以结构外形均接近球形穹顶，使构件以受压为主。

我国自改革开放以来，随着高层建筑和公共建筑的兴建，建筑幕墙的应用得到了迅猛发展，而铝合金材料最早是作为建筑幕墙的支承构件得到大量应用的。随后，铝合金结构主要在空间结构领域得到了较多的应用，在人行桥梁、厂房仓库门式刚架、通信塔架等也有一些应用。

表 2 为我国在 1996—2010 年间采用板式节点和螺栓球节点的铝合金空间网格结构应用案例^[1] 。

图 16 ~ 19 列出了我国早期典型的几个采用 TEMCOR  板式节点的铝合金穹顶结构。

图 16 平津纪念馆

图 17 上海国际体操中心

图 18 上海马戏城

图 19 上海科技馆

由表 2 可见，这个阶段建造完成的铝合金空间结构，既有采用国外 TEMCOR 板式节点的单层网格球形或扁球形结构^[3-7]，也有采用螺栓球节点的铝合金双层平板网架或柱面网壳^[8-10]，个别项目如 2001 年竣工的上海植物园展览温室采用了焊接板

螺栓连接节点的平面桁架结构^[11] 。一方面，国外应用多年的节点形式和结构体系开始进入国内。另一方面，国内相关研究设计和工程单位也在研发不同的节点形式和结构体系。除了得到实际应用的螺栓球节点和焊接板螺栓连接节点外，图 20 所示铸铝节点、毂式节点也得到了理论和试验研究^[12] 。

图 20 铝合金网格结构的不同节点连接形式

除了铝合金空间网格结构外，铝合金人行桥在国内也同期开始得到了应用。2006 年的杭州市庆春路人行天桥采用全套德国技术，由德国桥梁工程师设计安装，材料采用 AlMgSi1（F31） EN  AW  6082-T6，桥梁主跨 36.81 m，铝合金型材  11 t。2007 年，上海徐家汇人行天桥由国内自主研发、设计、生产和装配，使用 6061-T6 铝合金，质量 15 t，载重量 500 kN，长度 33 m，宽 6 m，拱形矢高 2.7 m。2008年，北京西单商业区人行桥建成，主桥长 84 m，主跨 38.1 m，宽 8 m，两侧四个方向共 8 部上行电动扶梯，照明系统采用了先进的 LED 灯，美观、节能、环保，采用 AW6082-T6 铝合金材料。

铝合金网格结构的应用需求推动和促进了国内铝合金结构的研究和标准制定工作。上海市地方标准 DGJ 08-95《铝合金格构结构技术规程》是国内首本铝合金结构方面的技术标准，于 2001 年正式颁布实施^[13] 。文献[14 -24] 中系统进行了铝合金基本构件、螺栓和焊接连接节点、铝合金板件等的理论、试验与设计方法的研究，在此基础上，国家标准 GB 50429《铝合金结构设计规范》也于 2007 年编制完成并出版实施^[25] 。随后，GB 50576《铝合金结构工程施工质量验收规范》于 2010 年颁布实施^[26] 。这些标准为铝合金结构的进一步发展提供了技术支撑。

3.1 铝合金结构的应用

2010 年后，我国社会经济的发展极大推动了铝合金网格结构的应用和推广，特别是板式节点单层铝合金网格结构。表 3 列出了国内 2010 年后建造完成的铝合金网格结构，其中具有代表性的工程为成都现代五项主场馆（图 21） 、南京牛首山佛顶宫（图 22） 、上海 G60 云廊（图 23） 等项目。

由表 3 可见，与早期铝合金网格结构不同，国内近十多年来公共建筑中采用的铝合金网格结构具有几个明显的特点和趋势：首先，板式节点已经成为铝合金网格结构应用的主流形式；其次，铝合金网格结构已经突破了圆穹顶形曲面的限制，向自由曲面形式发展；再次，新型的结构体系，如与拉索、拉杆结合的张弦铝合金结构、弦支铝合金结构、吊挂铝合金结构已在工程中得到应用，采用板式节点体系的双层铝合金网格结构也首次有了工程案例；此外，为配合新体系的应用，改进后的可传递剪力的板式节点及索承铝合金结构中的撑杆-铝合金节点得到开发和应用，如上海通正铝结构建设科技有限公司开发的 TAL 抗剪型、TAL 承弯型、 TAL 刚性、 TAL 索承、 TAL 撑杆等新型铝合金节点如图 24、图 25 所示；同时，其开发的系列幕墙集成系统如铝板、玻璃、膜材、石材等一体化复杂表皮及幕墙等性质各异的围护材料与铝合金结构的结合越来越普遍。

图 24 TAL 抗剪型节点（TAL-N-SH）

图 25 TAL 撑杆型节点（TAL-N-ST）

近两年，铝合金网格结构事实上已经进一步突破了自由曲面的形式，成功应用于平屋面和大开口扁壳屋面。图 26 为刚建成的上海世博文化公园温室项目，采用平屋面，从减轻大跨度结构自重角度出发，本项目采用铝合金结构是合适的，但传统板式节点在节点区的抗剪刚度和抗弯刚度存在突变，为此上海通正铝结构建设科技有限公司和上海建筑设计研究院、同济大学等单位在板式节点基础上研发了新型带附件的新型 TAL 刚性节点（TAL-N-RI），同时开发出 TAL 索承型节点（TAL-N-CA） 并首次采用了索支承铝合金结构体系，进一步加强平屋面的刚度。图 27 为刚建成的雄安体育场，中部为具有近 120 m 开口尺寸的圆形大开口弦支扁网壳。

图 26  上海世博温室平面铝合金屋面和新型 TAL 刚性节点（TAL-N-RI）

图 27 雄安体育场大开口弦支铝合金网壳

由上可见，铝合金网格结构在国内已经实现了从圆穹顶形到自由曲面再到特殊曲面（平面、大开口） 的突破式发展，随之而来的是新型铝合金节点和索支承铝合金结构的发展和成功应用。

3.2 铝合金结构设计理论和方法研究

除了量大面广的铝合金网格结构外，铝合金人行桥粱、门式铝合金刚架、铝合金塔架等在国内也有一定的应用。

在铝合金结构设计理论和方法研究方面，关于高强铝合金材料的力学性能、板式节点性能、大截面铝合金结构构件整体和局部稳定、铝合金网格结构整体稳定性能、铝合金结构抗火性能等方面的研究工作和成果也有很多^[27-43] 。经建设主管部门批准，GB 50429《铝合金结构设计规范》和 GB 50576《铝合金结构工程施工质量验收规范》也合并修编为新的国家标准《铝合金结构技术标准》，新标准中除了连接和基本构件外，也对铝合金网格结构、人行桥结构、框架和门式刚架、塔架等的设计进行了规定。除了国家标准在修编外，多地近十年来也陆续颁布实施了铝合金结构方面的地方标准^[44-46] 。

3.3 铝合金型材加工制造

在铝合金型材加工制造方面，铝型材挤压装备的挤压力得到显著提升（80~160 MN），挤压工艺不断成熟，数控精加工、安装工艺技术也不断进步，使得大截面、复杂截面、空心铝型材挤压工艺得以优化提升，H 形截面构件可挤压高度达到550 mm，但超大型截面的生产线还是相对较少。随着挤压工艺的提升，在现有铝合金截面形式基础上可以创新挤压复杂截面，如日字型和箱型截面。上海通正在上海世博文化公园温室项目中创新性地采用了“ 日” 字型截面，截面高度、宽度分别达到 450，380 mm，拓展了铝合金结构的应用范围，如图 28 所示。

图 28 “ 日” 字型铝合金截面

3.4 铝合金网格结构施工安装

在铝合金网格结构施工安装方面，国内大多数大跨度铝合金结构采用高空散装法、滑移就位法、分块吊装法、整体提升法等。高空散装法需先搭设满堂脚手架后再散装杆件，如成都郫县体育馆，散装杆件时工人通过特制的铆钉枪安装板式节点，如图 29所示。为提高安装效率，降低对满堂脚手架的依赖，成都现代五项赛事中心采用地面分组编号与高空逐跨拼装的施工方式。此外，随着工程的复杂程度增加，对于跨度较大、曲面较平整的网壳，可以采用滑移就位法，如南京牛首山佛顶宫的大穹顶采用分块吊装与滑移施工相结合的方法。根据结构的特性还可以选用分块吊装与整体提升相结合的施工方法，如 G60 科创云廊。河南科技馆铝合金采光顶则采用了整体提升的施工工艺，显著提升了施工效率。

图 29 铝合金节点安装

3.5 铝合金主体结构与围护体系的连接构造

在铝合金主体结构与围护体系连接构造方面，发展了新型的承重围护一体化构造节点和构件，将玻璃面板、金属面板等围护材料直接连接在铝合金结构构件上，形成了业内广泛采用的国产一体化屋面连接构造，如上海通正铝结构建设科技有限公司研发的铝板幕墙一体化系统（TAL-FI-AL） 和玻璃幕墙一体化系统（TAL-FI-GL）（图 30） 。这些新型连接构造减少了次结构的用量、提高了防水抗渗性能，节约了建筑空间且提高了安装精度，现已发展成熟并在多个工程案例中得到了成功应用。根据工程项目围护体系的多样化，适用于更多功能性围护材料如太阳能板、玻璃纤维增强混凝土（GRC）板、玻璃纤维增强塑料（GFRP）板、乙烯基四氟乙烯共聚物（ETFE）膜材等的一体化连接构造被陆续研发和应用中。

图 30  铝板幕墙一体化系统（TAL-FI-AL） 和玻璃幕墙一体化系统（TAL-FI-GL）

3.6 高性能铝合金材料的研发和应用

在高性能铝合金材料的研发和应用方面，金属材料工艺的发展为铝合金材料力学性能的改良提供了可能，通过进行不同微量元素成分对材料力学性能的影响分析，可以寻找到具有强度更高、延性更好的改性铝合金材料，以满足工程结构对铝合金材料的要求。国内铝合金建筑结构主要采用的铝合金牌号是 6061-T6，而 6082-T6 是 6xxx 系列铝合金中的较新牌号，其非比例延伸强度  f_0.2  和抗拉强度  f_u  分别比 6061-T6 提高了 8% 和 17%，耐腐蚀性和焊接性也更为优越，在欧美应用较多。目前国内对 6082-T6 的力学性能已进行了初步研究^[47-49]，在北京新机场航站楼采光顶铝结构、兰州中川机场玻璃采光顶（GTC）中也有了成功的应用。6013 -T6 力学性能则更强，其非比例延伸强度  f_0.2  和抗拉强度  f_u  分别可达到 320 ~ 330 MPa、340 ~ 360 MPa^[36-39]，这一材料在 2024 年竣工的上海世博文化公园温室项目中得到了首次应用。此外，7xxx 系列铝合金材料强度较高，特殊情况下也有一定使用价值。国内外学者对 7xxx系铝合金的研究多集中于材料特性、加工工艺等层面，对相应构件的承载性能、节点连接、结构体系、高温性能等研究仍在进行中，尚未见工程应用。国内已有针对  7xxx 系列材料的不同截面构件轴压、偏压、抗弯整体和局部稳定承载性能等的系列研究^{[33-34，50-56]}，已有研究成果表明：用于构件计算的常温下 7A04-T6 高强铝合金的抗拉、抗压和抗弯强度设计值 f 可取 410 MPa，抗剪强度设计值 f_v 可取 235 MPa，极限抗拉、抗压和抗弯强度设计值 f_u，d可取 465 MPa。由于高强铝合金材料的焊接性能相比钢结构较弱，构件间连接件的破坏机理仍有待深入研究。采用高强度铝合金材料的梁柱节点、结构体系的受力性能及其抗震性能等也需进行更广泛和深入的研究。

铝合金材料因其特殊的力学性能、一体化的屋面连接构造、美观的建筑表现力、回收率高、自重轻、耐腐蚀、可挤压成任意截面、低温性能好、绿色环保、无磁、易加工、可装配等诸多优点，已经在建筑业得到了较为广泛的应用，尤其是在园林温室建筑、体育建筑、游泳馆、大科学装置、海边潮湿环境建筑、场站建筑等领域优势明显。国外铝合金结构的应用还基本局限于工字形截面、TEMCOR 板式节点、球面外形。国内从早期的引进学习，到后期的发展和创新，已经实现了自由曲面、平面、倒悬形等外形的突破，实现了大尺寸工字形截面、箱型和双箱型截面生产制造技术和工程应用的突破、实现了全刚性连接节点和张弦铝合金网格结构的突破。近几年国内也研发成功了越来越多的高性能铝合金材料。可以期望，铝合金结构在国内必定会得到越来越多的应用和发展。