纯铝外观颜色银白，是一种轻质金属，富有延展性。在金属当中，是仅次于钢铁的一类。随着生产工艺的提高，铝材及其合金材料广泛应用于航空、汽车、建筑等领域。在建筑结构中，由于铝材料的特性，在某些应用场景下比钢材更具有竞争优势。与碳素钢类似，建筑结构中使用的铝材也不是纯铝，通常是添加了如镁、硅等微量元素的铝合金。

当前在建筑工程当中，铝合金材料主要在幕墙、门窗、模板、装饰方面应用广泛，将其作为主要受力构件，相对钢结构来说还比较少。然而铝合金材料拥有诸多优点：铝材相对于钢材具有密度小、加工方便、延展性好、耐腐蚀、耐低温等优势，近年来在结构工程中的应用已成为一种新的发展趋势。

在铝合金应用方面国外起步较早，20世纪40年代，科学家开始对铝合金结构进行系列研究，在50年代将铝合金结构应用于土木工程结构当中。在铝合金结构设计领域，国外也形成了一系列的规范，如美国铝业协会制定的《铝合金结构规范》、欧洲钢结构协会制定的《欧洲铝合金结构建议》（1978）、欧洲标准组织制定的《铝合金结构设计规范》（1992）。我国在铝合金材料及结构方面起步相对较晚，20世纪80年代刚刚起步。我国在学习国外规范及总结自己研究成果的基础上也取得了一定成绩。2008年开始实施的我国第一部《铝合金结构设计规范》（GB 50429—2007），极大地促进了铝合金结构的应用，是我国在铝合金材料及铝合金结构应用和发展上的一个里程碑。截至2020年，《铝合金人行天桥技术规程》（T/CECS 471—2017）、《铝合金空间网格结构》（T/CECS 634—2019）相继实施。原《铝合金结构设计规范》（GB 50429—2007）也进行了新的修编。未来这些规范标准将进一步促进我国铝合金结构的推广应用。

铝合金结构在展览馆、体育馆、库房等现代公共建筑和构筑物中有较为广泛的应用。1996年建成的平津战役纪念馆是我国第一座铝合金建筑，1998年我国自行设计、自行制造的螺栓球节点铝合金网架结构———中国航天实验中心CM2零磁实验室建成。此后铝合金结构在我国逐渐推广开来，上海植物园展览温室、上海科技馆、南京牛首山遗址公园佛顶宫等建筑工程陆续完工。其中牛首山佛顶宫（图1）的铝合金单层球面网壳建筑长度251 m，半跨悬挑网壳跨度116 m，构件断面最大高度550 mm，铝合金结构跨度为世界第一。

在桥梁、塔架、公交站台等市政工程中铝合金结构也有较多应用。我国第一座铝合金人行天桥———杭州庆春路人行天桥于2007年3月落成。该桥所用铝合金材料均为国外进口铝合金材料，由德国设计师设计及安装。同年9月上海市徐家汇铝合金人行天桥（图2）由同济大学沈祖炎院士团队完成结构设计，这是我国第一座自主设计、自主建造的铝合金人行天桥。2008年建成的北京西单人行天桥是当前世界上最大的铝合金桁架结构的人行天桥。近年来，随着铝生产工艺的进步及加工工艺的提高，工程造价也随之降低，铝合金人行天桥如雨后春笋般在各地兴建，大大推动了铝合金结构在市政工程中的应用。

铝合金及钢材同作为金属材料，常常拿来作为对比。钢材在结构工程中应用更加广泛，其材料性能特性已经为工程师所熟知。结构用铝合金材料与钢材相比，其延性、可塑性、耐腐蚀性、耐低温性、可回收性更好，但是存在耐火性较差、材料弹性模量低、材料强度偏低、焊接区域影响材料强度、材料价格偏高等方面的劣势。这就决定了铝合金结构的应用场景、结构选型、节点设计与钢结构存在较大差异。

铝合金材料与钢材类似，也分为不同的牌号，但是与钢材不同的是：钢材牌号一般按照强度来分类，铝合金一般按照生产工艺或者化学成份来分类。铝合金的名称有字母标记和数字标记两种方法。我国国标《变形铝及铝合金化学成分》（GB/T 3190—2008）中采用的是数字标记法。结构中常用的铝合金材料T6061-T6就是采用了此种的命名方式。

在数字标记法中，除了第1位数字为1表示纯铝外，其它数字开头的牌号均为铝合金。如2XXX表示铝—铜合金系列，3XXX表示铝—锰合金系列，6XXX表示铝—镁—硅合金系列。不同系列之间的材料特性也不相同，如2XXX系列硬度较高，但耐腐蚀性差，主要用于航空铝材，在常规工业中不常应用；6XXX系列强度较高、耐腐蚀性良好，在工业、建筑型材中应用广泛。

与钢材相比较，铝合金材料的弹性模量仅为钢材的三分之一，密度也仅为钢材的三分之一，热膨胀系数为钢材的两倍，熔点也较低，约660℃，比钢材熔点的一半还低。

与钢材的力学性能相比，钢材应力应变曲线上有明显的屈服平台，而铝合金应力应变曲线上没有明显的屈服平台，根据其曲线特点可分为弹性阶段、非弹性阶段和应变强化阶段。为了便于设计使用，取0.2%的名义屈服应变对应的强度作为铝合金材料的名义屈服强度。由于铝合金材料种类较多，不同牌号之间强度相差较大，以结构工程中常用的T6061-T6为例，其名义屈服强度与钢材中Q235等级基本相当，所以在结构工程中应用较广泛。

通常钢材随着温度的降低其延性会有所降低，而铝合金在负温下却有着良好的工作性能，随着温度的降低其强度及延性都有所提高。但是铝合金耐高温性能较钢材差，超过150℃后强度迅速下降。基于上述原因，铝合金结构工作温度的负温临界温度通常不做要求，规范规定铝合金结构的工作温度不超过100℃，当其长期受到热辐射达80℃以上时，应增加防护措施。

在当前铝合金材料的生产工艺下，铝合金材料的强度及刚度较钢材还有较大的差距，6系铝合金基本相当于Q235钢材的水平，高强的7系铝合金基本相当于Q345钢材的水平。另外，在当前市场条件下，高强铝合金材料整体价格偏高，也限制了其使用范围。基于以上原因，铝合金结构难以在直接承受动力荷载及对刚度有严格要求的结构当中使用。

铝合金材料本身在普通大气环境中可以生成一定致密的氧化层，具有一定的抗腐蚀作用。然而在铝合金结构中，铝合金材料同其它材料（不锈钢除外）的连接或接触中容易产生电化学腐蚀。因此铝合金在与其它金属的接触位置需要通过油漆、橡胶或聚四氟乙烯板等隔离材料进行隔离防护。

本项目位于苏州市某铝合金门窗厂区内，拟建造一片全铝合金的装配式车棚，车棚屋面为光伏板，光伏发电作为照明及电瓶车充电使用。

根据场地情况，本车棚正立面分为3种形式：单跨、单跨带悬挑、双跨，如图3、图4所示。单跨跨度6.3 m，悬臂部分2.25 m，两榀刚架榀距离3 m左右。建造过程及车棚完工后的实景如图5、图6所示。

车棚主体刚架及屋面檩条作为主要承重结构，需要有一定的承载能力及安全冗余度，故本工程采用建筑结构中常用的铝合金型材，T6061-T6，其抗弯、抗压和抗弯强度设计值为200 MPa，抗剪强度设计值为115 MPa。由于焊接热影响区会影响铝合金的强度，故采用不锈钢螺栓连接。

车棚主体采用类似钢结构中的门式刚架的形式，由立柱、斜梁、檩条、纵向支撑构成。由于铝合金主材采用挤压成型，端部不适合采用钢结构那种通过杆件端部焊接端板拼接的连接方式。本铝合金车棚采用了类似套芯的连接方式。套芯采用钢材制作，为防止电化学腐蚀，套芯外面采用涂层进行了防护隔离。

柱脚处节点采用带端板的套芯节点，一端与基础连接，另一端与铝合金立柱连接。铝合金梁柱连接节点采用带端板的套芯节点，端板与立柱的腹板密拼后连接，另一头套芯伸入铝合金横梁的内壁。在屋脊处，采用折线形套芯，套芯插入两端的铝合金横梁内壁。斜撑上下端节点与梁柱节点类似，是一端端板另一端为套芯的连接节点。屋面檩条通过连接角码与横梁进行连接。屋面太阳能光伏板和檩条与横梁采用专用连接件连接。以上各连接节点如图7—图10所示。各杆件截面及特性如表1所示。

该车棚刚架有3种形式，文章仅以单跨为例进行分析探讨。本车棚刚架结构采用3D3S建立有限元模型，杆件采用梁单元模拟，各构件之间节点采用刚接计算假定。铝合金材料按照实际材料T6061-T6从软件截面库中选取。各构件的截面形式由于采用了自定义的挤压截面，采用软件中自定义截面的功能导入。荷载取值方面，风荷载采用苏州地区基本风压0.45 kN/㎡，基本雪压0.4 kN/㎡，风荷载体系系数按照《建筑结构荷载规范》进行取值，地震作用按照苏州地区7度0.1g进行计算。建立的单榀结构有限元分析模型如图11所示。

为保证铝合金车棚结构整体的安全性，需要验算其强度、变形。荷载如前面所述，结构自重由软件自动计算。荷载设计组合按照相应规范进行荷载组合。本软件内置《铝合金结构设计规范》（GB 50429—2007），可以按照规范进行相关构件的设计。

经计算，结构的位移云图、应力比云图如图12、图13所示。从图中可以看出，结构在荷载下的最大变形为5.2 mm；结构柱最大应力比0.76，结构横梁最大应力比0.53。结构强度及变形均满足设计要求。

本车棚刚架体系纵向的稳定性通过屋面檩条作为支撑并在柱顶、柱中设置了纵向支撑，保证面外的稳定性。由于结构本身跨度6 m多，稳定计算不起控制作用，因此本结构稳定性通过支撑设置，已满足稳定性设计要求。

为了尽量发挥铝合金材料的特性，本车棚结构节点采用了全螺栓装配式连接，如图7—图10所示，所有节点采用套芯和不锈钢螺栓与铝合金杆件进行节点连接。这样一方面可以提高装配施工的效率，另一方面也可以满足节点受力的要求。

铝合金作为一种新型的金属材料，因其具有质量轻、耐腐蚀强、免维护等特点，在工程结构中有一定的应用前景。而且铝合金结构经过半个世纪的发展，理论研究和工程实践都日益成熟及完善，同时随着铝合金加工工艺的提升，其材料价格也在下降，综合优势日益明显。文章以车棚类结构为案例，探索了铝合金在车棚类建筑中的应用，可以为同类工程提供借鉴。