第１０卷第１期２００７年２月
建筑材料学报
ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＢＵＩＬＤｌＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
胎儿宫内发育迟缓
Ｖ０１．１０，Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．，２００７
文章编号：１００７—９６２９（２００７）０１—０１１５—０６
铝镁锰合金建筑板材的结构设计研究
董震１，张其林１，吴亚舸２
（１．同济大学土木工程学院，上海２０００９２；２．上海建筑设计研究院有限公司，上海２０００４１）
摘要：进行了铝镁锰合金建筑板材的材性试验，比较了其与钢材的力学性能差别；指出了
铝镁锰合金建筑板材有效截面计算及剪切屈曲应力计算与钢材有显著差异，在此基础上提出了适合铝镁锰合金建筑板材的结构设计方法和计算公式．
关键词：铝镁锰合金建筑板材；力学性能；设计研究
中图分类号：ＴＵ５１２．４文献标识码：Ａ
ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＳｔｕｄｙｏｎＡＩ－Ｍｇ－ＭｎＡｌｌｏｙＢｕｉｌｄｉｎｇＳｈｅｅｔｓ世界上最小的哺乳动物
ＤＯＮＧＺｈｅｎｌ，ＺＨＡＮＧＱｉ－ｌｉｎｌ，ＷＵＹ么一ｇｅ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ西ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｇｉｖｅｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｔｅｓｔｆｏｒｔｈｅＡ１一Ｍｇ—Ｍｎａｌｌｏｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔｓａｎｄｔｈｅｃｏｍ
ｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓｂｅｔｗｅｅｎＡ１一Ｍｇ－Ｍｎａｌｌｏｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔｓａｎｄｓｔｅｅｌ．Ｉｎｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｎｔｅａｍｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒｂｕｃｋｌｉｎｇｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓ
ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｆｏｒｍｕｌａｆｉｔｔｉｎｇｔｈｅＡ１－－Ｍｇ‘－Ｍｎａｌｌｏｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａ１一Ｍｇ—Ｍｎａｌｌｏｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｄｅｓｉｇｎｓｔｕｄｙ铝镁锰合金建筑板材（以下均简称为铝合金板材）具有自重轻、耐腐蚀、立体视觉效果好等优点，在国内建筑领域特别是幕墙领域得到了广泛应用．虽同为金属材料，铝合金板材力学性能与钢材却有着明显的差异，而关于其破坏类型和特征的研究在国内几乎还是空白，因此设计时常常错误地套用中国钢结构设计规范，在国内已屡屡造成建筑安全事故和诸多安全隐患．针对这一现状，本文进行了铝合金板材的材性试验，比较了铝合金板材和钢材的力学性能，指出铝合金板材有效截面计算及剪切屈曲应力计算与钢材有显著差异，并在此基础上提出了适合铝合金板材的结构设计方法和计算公式。
１铝合金板材的力学特性
１．１铝合金板材材性试验
为掌握铝合金板材的力学性能，对其进行了材性试验：选用３００４一Ｈ３６型铝镁锰合金，其主要合金含量（质量分数）为：９６．０％ＡＩ，１．５％Ｍｎ，１．３％Ｍｇ，０．７％Ｆｅ和０．３％Ｓｉ．按照ＧＢ／Ｔ１６８６５～１９９７｛变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》标准加工．所有试件均在顺型铝合金板材挤压方向取样．
收稿日期：２００６—０４—２１；修订日期：２００６－－０６—０９
作者简介：董震（１９７６一），男，江苏常州人，同济大学博士生
建筑材料学报第１０卷
图１为铝合金板材实测应力一应变曲线．图１表明，该板材没有出现类似低碳钢的屈服平台而是直接进入了强化阶段；当荷载接近极限承载力时，试件出现颈缩现象，最后试件被拉断．
图１铝合金板材应力（ａ）一应变（￡）曲线
Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｅｓｓ口ｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆＡ１一Ｍｇ－Ｍｎａｌｌｏｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔｓ
围棋打劫表１列出了铝合金板材规定非比例伸长应力Ｏ＇ｏ。和极限承载力厂。的试验平均值、中国国家标准值‘玎和美国标准值Ⅲ．表１表明，本铝合金板材的强度略高于上述两个标准．
表１铝合金板材材性试验结果
Ｔａｂｌｅ１ＴｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡｉ‘Ｍｇ－Ｍｎａｌｌｏｙｂｕｉｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔｓ
１．２铝合金板材的本构关系
铝合金板材的本构关系不像钢材那样可简化成理想弹塑性模型．建立既通用又接近铝合金板材非弹性特征的ｄ—ｄ（ｅ）模型很困难．Ｂａｅｈｒｅ和Ｍａｚｚｏｌａｎｉ曾先后提出分区域铝合金板材本构模型［３］．而形式更为简洁、应用更为广泛的是由Ｏｓｇｏｏｄ和Ｒａｍｂｅｒｇ等提出的模型，其表达式为【“列
￡一叮／Ｅ＋０．００２（ａ／ａ０２）”（１）式中：Ｅ是弹性模量；砣是应变硬化参数乱。／＠。的函数。ｎ—Ｉｎ２／ｌｎ（ａ０．。／ｃｒｏ，）．咒反映了不同铝合金板材Ｏ＇－Ｅ曲线非弹性段应变硬化的特征，因此可根据ｎ值对铝合金分类，通常当咒小于２０时为强硬化铝合金；当卵大于２０时为弱硬化铝合金．上述两种铝合金在设计计算上是有差异的［６］．表２给出按公式（１）拟
和所得的铝合金板材材性数据和铝合金板材材性试验结果（表１）的对比．由表２可以看出，由公式（１）预期的性质同铝合金板材的实际性质很接近．因此欧洲在制定其铝合金结构标准时，就采用了该模型来反映铝合金板材的本构关系．
１．３铝合金板材和钢材在力学性能上的差异
综合上述铝合金板材材性试验结果及国内外研究资料，可以将铝合金板材和钢材在力学性能上的差异归纳为以下几点：（１）铝合金板材应力一应变曲线可分为弹性阶段、非弹性阶段、应变硬化阶段，没有明显的屈服点．这与钢结构中常用的低碳钢、低合金钢有显著区别，而同某些品种的高强度合金钢较为相似．因此规定非比例伸长应力乱：为超出铝合金板材弹性阶段的应力．（２）铝合金焊接构件有焊接热影响区，在该区内存在不可忽略的强度降低和材性弱化［７］．（３）铝合金的熔点很低，耐高温性能较差，１５０℃以上时即迅速丧失强度［８］．（４）在低温环境下，铝合金的强度和延性都有所提高，具有优良的低温工作性能凹］．这一点同钢材在低温下易发生冷脆的特性不同．
第１期董震，等：铝镁锰合金建筑板材的结构设计研究１１７
２铝合金板材的结构设计与计算
材料的力学性能是结构设计的基础，铝合金板材与钢材在力学性能上的差异必将使它们在结构设计方法上有所不同．目前铝合金板材设计中反映比较突出的问题主要有以下两点：（１）铝合金板材有效截面计算；（２）薄壁铝合金板材剪切屈曲应力计算．
２．１铝合金板材有效截面计算
为提高材料使用效率，受压板材宜采用宽而薄的截面，并允许板材在受力时出现局部屈曲以利用其屈曲后强度，有效截面概念就是针对此类截面设计应运而生的．国内外对薄壁钢板有效截面计算一般采用有效宽度法，即将板宽ｂ方向上不均匀的应力分布（见图２（ａ））假设为以板边缘最大应
图２有效宽度模型
Ｍｏｄｅｌｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗｉｄｔｈ
Ｆｉｇ．２
力Ｏ＇ｍａｘ均匀分布在一个假想的有效宽度ｂ。上（见图２（ｂ））．钢板有效截面面积Ａ。按公式（２）计算
Ａ。一ｂｅｔ（２）
ｒ６
其中：ｂ。一Ｉａｄｘ／ａｍ。。，ｔ为板材厚度．然而，由于铝合金板材的弹性模量只有钢材的１／３，这就导致Ｊ０
具有相同屈服强度的铝合金板材强度比钢材低很多．另外，与薄壁型钢材相比，挤压型铝合金板材截面形状往往相当复杂，而复杂的截面形状必然带来复杂的应力分布，这就使得用有效宽度法计算铝合金板材有效截面变得非常复杂．因此国外铝合金规范大多放弃采用适合钢结构的有效宽度法，而改用有效厚度法计算受压板材的有效截面口．１０］，从而极大地简化了计算过程．有效厚度法的总体思想是用按公式（３）计算的折减系数ｐｃ折减受压区板材厚度ｔ．
Ｐ。一ａ１／ａ一０．２２ａ２／ａ２（３）式中：Ａ为铝合金板材的柔度系数，Ａ一、／ｉ了石＝＿，％是受压铝合金板材的临界弹性屈曲应力；口。，ａ。为相应的计算系数，它们取决于受压铝合金板材的边界条件、应变硬化性能以及是否受焊接软化效应的影响．ａ，，ａ。的取值见表３Ｅ６。．
考虑到设计的实用性，铝合金板件大多可以简化成图３所示的４种类型，其中阴影部分板件有效厚度ｔ。可按公式（４）计算．
ｔ。一｜０。ｔ（４）
１１８建筑材料学报第１０卷ｆ—ｆ１ｆ翔ｒｑ
（ａ）Ｎｏｎ’ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｔｅ（ｂ）Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｔｅ（ｃ）Ｅｄｇｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｔｅ（ｄ）Ｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｔｅ
图３铝合金板件类型
Ｆｉｇ．３ＴｙｐｅｓｏｆＡ１－Ｍｇ－Ｍｎａｌｌｏｙｐｌａｔｅ
对非加劲板件和加劲板件（见图３（ａ），（ｂ）），其ｐｃ中的ｃｒｃ。应按公式（５）计算．
靠一丽害誓丽（５）式中：Ｅ为弹性模量；ｖ为泊松比；ｋ。为铝合金板件局部稳定系数，与压应力分布不均匀系数≯有关，谚一％。。／‰，．ｋ。计算公式见表４．
表４受压铝合金板件局部稳定系数‰计算公式
Ｔａｂｌｅ４ＦｏｒｍｕｌａｓｏｆｐａｒｔｉａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｋｏｏｆＡＩ。Ｍｇ－Ｍｎａｌｌｏｙｐｌａｔｅ
对均匀受压的边缘加劲板件和中间加劲板件（见图３（ｃ），（ｄ）），其ｐ。中的靠应按公式（６）计算．
氏一丽萼簧研（６）式中：ｋ。为均匀受压铝合金板件局部稳定系数，其取值见表５；叩为加劲肋修正系数，用于考虑加劲肋对被加劲板件抵抗局部屈曲（或畸变屈曲）的有利影响．叼的计算公式也见表５．
表５ｋｏ的取值和ｔｌ的计算公式
Ｔａｂｌｅ５Ｖａｌｕｅｓｏｆｋｏａｎｄｆｏｒｍｕｌａｓｏｆ叼
Ｎｏｔｅ：￡——Ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｐｌａｔｅｗｉｔｈｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ；ｆ——Ｔｈｅｈｉｇｈｎｅｓｓｏｆｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ；６——Ｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｐｌａｔｅｗｉｔｈｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ．２００５年笔者做了直立锁边点支承铝合金屋面板承载力试验．试验选用截面如图４所示的板件．为准确测量和计算受力过程中腹板的中性轴位置和有效截面面积，在试件相应位置上安装了应变片，见图５．中性轴位置可通过应变片测定腹板应变为零的位置而确定，见图６．表６比较了试验
第１期董震，等：铝镁锰合金建筑板材的结构设计研究
测得的中性轴位置和按材料力学理论计算的中性轴位置．表７给出了铝合金板件有效截面面积、中性轴位置、有效截面惯性矩的试验值和按本文方法、欧洲铝合金规范‘６｜、中国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（ＧＢ５００１８：２００２）ｎ妇计算的理论值．表７表明，按本文方法计算的理论值与试验值能较好地吻合．
图４板件尺寸望远镜参数
Ｆｉｇ．４Ｓｉｚｅｓｏｆｐｌａｔｅ（ｍｍ）
图５测量中性轴的应变片布置
填色画图片大全Ｆｉｇ．５Ｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｆｏｒｎｅｕｔｒａｌａｘｉｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
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钢铁是怎样炼成的每一章读书笔记Ｓ订ａｉｌｌｘｌ０６
图６中性轴位置
Ｆｉｇ．６Ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｎｅｕｔｒａｌａｘｉｓ
表６中性轴位置比较
Ｔａｂｌｅ６Ｃｏｍｐａｒｉｓｉｎｇｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｎｅｕｔｒａｌａｘｉｓ
表７有效截面一性比较
Ｔａｂｌｅ７Ｃｏｍｐａｒｉｓｉｎｇｏｆｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｅｃｔｉｏｎ
２．２薄壁铝合金板材的剪切屈曲应力（ｆ）计算
为了面板的轻盈，维护结构铝合金板材往往较薄，檩条或支座附近腹板的抗剪问题较为突出．铝合金板材屋面在台风过后留下的永久变形甚至破坏，大多由此引起．目前中国对金属屋面板腹板的剪切屈曲应力计算公式只有ＧＢ５００１８：２００２［１１］中有如下规定
ｒ≤８５５０／（ｈ・ｔ＿１）（ｈｉｔ＜ｌＯＯ）（７）
ｒ≤８５５ｏｏｏｌ（＾・ｔ１）２（ｈｉｔ≥１００）（８）以上公式是由钢材弹性剪切屈曲应力公式（９）和弹塑性剪切屈曲应力公式（１０）［１２１推得．
，一生至！墨ｒＱ、
“。
怎么锻炼肺活量
１２（１—１３２）（ｈ／ｔ）２
…７
ｒ。。一％／石ｐＴ—ｃｒ（１０）公式（９）中ｒｃｒ为弹性剪切屈曲应力；ｈ，ｔ分别是腹板的高度和厚度；ｋ为剪切屈曲系数；公式（１０）中乏，为弹塑性剪切屈曲应力；ｒｐ为剪切比例极限，可取值０．８厂ｖ，＾为抗剪强度标准值．虽同为金属材料，但公式（７），（８）显然不适用于铝合金板件，因为：（１）公式的系数里包含有钢
