铝合金型材在桥梁结构工程应用实例分析

编辑单位：广州德立游艇码头工程有限公司

编辑日期：2016-11-18

来源：互联网

       铝合金作为典型的有色金属，其质轻、耐蚀、高比强度等优点使铝型材在传统的门窗、幕墙、装饰材料领域得到了广泛的应用。随着新合金、新产品的不断开发，铝型材在建筑模板、轨道交通、船舶、桥梁等领域的应用也开始崭露头角。
       铝型材在桥梁上的应用，国内外已有近400个工程实例，包括公路桥、悬索桥、跨河桥等。其应用由最开始的桥面板发展到主梁等主要构件。本文通过介绍国内外典型铝合金结构桥梁实例，分析铝合金的性能特点，对其在桥梁上应用的可行性给予了验证和肯定。随后简单介绍了铝型材在桥梁结构中的应用及研究情况，最后对铝合金结构桥梁的发展前景进行了展望，提出了国内发展铝合金结构桥梁急需做出的对策。
1. 国内外铝合金桥梁工程实例
1.1 铝合金结构桥梁在国外的兴起与应用
       美国匹兹堡史密斯菲尔德区一座跨河桥的铝合金桥面板，是世界上首个铝合金在桥梁上的应用实例（如图1所示）。1933年美国铝业公司为了减轻现役桥梁的静载荷，用铝合金面板替代了破损的钢板和木板。该面板合金状态为2014-T6，服役时间长达34年。但由于该合金与钢一样，耐蚀性较差，于是在1966年美铝公司又更换了耐蚀性更强的5系和6061-T6挤压型材组合的面板。出乎意料的是该面板仅服役了26年，就被再一次更换为局部填充钢的面板。经Reynolds金属公司的相关专家分析，1966年更换的铝合金面板表现出了优异的耐蚀性和结构稳定性，但钢、铝合金及混凝土三者接触的部位出现了明显的腐蚀。虽然这些腐蚀部位没有影响到整体结构的稳定性，但仍需要采取有效的措施避免腐蚀，延长其寿命。
       1949年，加拿大在魁北克省阿尔维达（Arvida）建成了一座跨越塞右奈河，单跨跨径达88.4 m的铆接铝拱桥，见图l。该桥是世界上第一座全铝合金结构桥梁。该桥桥墩高约15 m，2个车行道。所用的铝合金为2014-T6，总重163 t。与原计划修建的钢桥相比，重量减轻约56％[1]。

       铝合金结构桥梁在欧洲的应用也逐渐兴起，据相关资料显示，自1949年英国萨色兰郡桥建造后，欧洲各国开始将铝合金广泛应用于桥梁面板和主要结构件部位。1949- 1985年，英国建造了约35座铝合金结构桥梁。1950-1970年，德国建造了约20座铝合金结构桥梁。1955-2000年荷兰先后开发建造了6座铝合金结构桥梁。在此期间，荷兰为支持对铝桥的研究和促进铝桥的应用，3年内完成了名为“铝桥”的工业项目，该项目计划包括铝材生产商、承包方、设计方、官方、建筑方和研究机构。该项目主要针对开启桥、新建居民区桥、公路桥面板、延长现有桥方面做出了研究和拓展，为后期铝结构桥梁的应用提供了经验。 
       目前而言，在欧洲等国家，铝合金在桥面板上的应用较为广泛。据相关资料统计，在欧洲约70多座桥梁使用瑞典开发的“50系列”或“100系列”面板型材，该类型材的断面和工程实例如图3和图4所示。

1.2 铝合金结构桥梁在国内的应用
       目前，国内铝合金在桥梁上的应用十分有限，主要集中在人行天桥等承重较小的桥梁上，还有少量铝合金面板的应用。国内第一座铝合金结构桥梁是2007年建造的杭州市庆春路人行天桥，该桥由德国桥梁工程师设计、安装，所有桥梁结构的铝合金材料全部由德国进口，该铝合金结构桥梁的建造是为后续我国自主设计和修建铝合金桥梁做准备。
       同年建造的上海徐家汇人行天桥工程是国内首座完全自主设计、自行生产、自行建造的铝合金结构桥梁。该桥总工期仅37 天，主材为6061-T6铝合金，单跨23 m，宽度6 m，主桥高2.6 m，桥净高4.6 m，其自重仅15t，最大载质量可以达到50t。
       为迎接奥运会，我国于2008年建造了北京市西单商业区人行天桥，该桥的铝合金上部结构为外资公司承建，主要铝合金为国产6082-T6型材，铝合金步道板等附件从国外进口，为6005-T6铝合金。该桥建立的同时，制订了JQB-198-2008《北京市西单商业区人行天桥工程铝合金上部结构施工质量验收标准》，为今后铝合金结构桥梁施工验收提供了宝贵的借鉴经验。
       杭州新解百“口”字形铝合金人行天桥是我国首座自行设计、建造的大跨度铝合金桥梁，该桥梁由杭州市城建设计研究院和山东丛林集团合作研发而成（见图5）。该桥总长217.55m，宽4.8m，重226t，可满足4000余人同时通行，所有铝合金主要为6082-T6型材。该桥分为4个主桁架、4个过渡桁架，组成一座闭合环形人行天桥，其中A桁架长53m，B桁架长44m，C桁架长44m，D桁架42m。

       天津市蚌埠海河桥桥面板采用了铝合金型材。该桥全长192m，其人行道面板采用的是6005-T5铝合金型材，标准面板长5m、宽0.25m，由27mm厚的上部翼缘板和3mm 厚且底部带有加强的马蹄形构造的肋板组成。在该桥铝合金面板安装使用前，为确保铝合金满足设计要求，对型材的进行了以下试验：材性试验、静载试验、振动特性试验、冲击荷载实验、疲劳试验、耐磨试验[3]、耐腐蚀试验[4]。试验结果表明，该铝合金型材面板能够达到设计要求。
       除以上人行天桥和拱桥外，铝合金还在其他结构形式的桥梁上有了不同程度的应用，如连续箱梁桥、桁架桥、悬索桥、高架桥、活动桥、浮桥、军用铝桥等[5]。上述铝合金结构桥梁在国内外的应用实例，进一步印证了铝合金在桥梁上应用的可行性，同时也可以看出国内外的差距，为国内铝合金桥梁的发展确立了追赶和发展方向dalilvcai.com。
2.铝合金的性能特点
       铝合金之所以在桥梁中得到广泛的应用，主要是其具有较多钢和混凝土结构所不可匹敌的优点，针对性能方面的优势，很多学者也进行了总结[6, 7]。正确认识铝合金的性能特点不但能够认清其在桥梁上得到广泛应用的原因，而且能够为铝合金桥梁的设计给予帮助。通过参考相关资料，本文在此对铝合金的优良特性做进一步的阐述，以期对铝合金能有更加全面的认识和理解。
2.1 物理、化学、力学性能
（1）密度：铝合金的密度约为钢的1/3左右，具有较高的比强度，有利于桥梁的减重，提高桥梁的负载能力。
（2）热膨胀系数：铝合金的线热膨胀系数为1.881×10-5/℃ ~ 2.360×10-5/℃，约为钢和混凝土结构的2倍，因此，在设计使用中必须注意热胀冷缩带来的尺寸影响。
（3）耐蚀性：铝合金能够在自然条件下形成氧化膜，对内部材料形成保护，具有良好的耐蚀性，无需进行表面涂层防护，因此具有高的服役寿命和低的维护费用。据有关文献报道，在高盐含量与污染物环境下，铝材料、耐候钢和低碳钢的厚度腐蚀速率分别为0.0194mm/年、0.81mm/年和2.19mm/年[8]。
（4）强度：与低碳结构钢相比，常用5系和6系铝合金的抗拉强度和屈服强度在110 - 350MPa间，力学性能可观，而且随着技术水平的提高，更高强度铝合金材料的研发成为可能。
（5）焊接性能：与钢相比，铝合金焊合区力学性能损失较大，但通过优化焊接工艺和结构设计可进行有效地弥补，如搅拌摩擦焊能够很好地将铝合金进行焊接并使焊合区力学性能保持或提高。
（6）疲劳性能：铝合金的疲劳强度低于钢，最初设计规定为钢疲劳强度的1/3，但铝合金可通过挤压加工实现整体成形，避免焊接导致的疲劳强度降低，而且可使局部壁厚增大，从而降低应力的影响。
（7）韧性：铝合金具有高韧性和低塑性断裂抗力，与钢相比，无明显低温塑性-脆性转变特性，这一特点使其在某些低温环境下应用非常有优势。
2.2 经济性、环境影响特性
       铝合金结构桥梁造价虽然约为钢或混凝土结构桥梁的两倍甚至更高，但其可加工性强，加工费用低，维护费用低，服役周期长（一般可达50年），总体费用算来，与传统钢或混凝土结构桥梁费用持平或略低。
       铝合金良好的耐蚀性无需定期的喷漆防腐维护，一定程度上减少了对环境的危害；整体结构组装可大大缩短施工周期，缩短交通恢复期限；铝合金回收能耗仅电解铝的5%，可循环再次利用率大，回收率可达到90%以上(是钢材回收率的5倍以上)，基本和铝锭价格差异不大，是典型的绿色环保材料。 
3.铝型材在桥梁结构中的应用及研究
3.1 主结构件
       铝型材在桥梁主结构件上的应用主要包括桥面板、纵梁、桁架等，组装方式有铆接、焊接。其中，应用最为广泛的是铝桥面板，其常见截面图见图3。由于铝型材面板具有质量轻、可设计性强、设计简洁、安装工期短等优点，自开发以来，在欧洲等地区得到广泛的研究和应用，近几年在国内也对其进行了部分研究和应用。随着研究的不断深入和应用推广，铝桥面板系列将更加完善，各项技术将更加成熟。
       国外对铝桥面板型材的研究较为全面，研究单位主要是高校和大型公司。比如美国肯塔基大学和科罗拉多大学，瑞典斯德哥尔摩大学，雷诺兹金属公司等。2006年，由于美国肯塔基KY 974桥的纵梁腐蚀严重、混凝土桥面破裂等问题，需要进行维修。在肯塔基大学和肯塔基运输中心的合作下，主要对该桥的部分钢结构纵梁进行了更换，用铝桥面板替换了破损的混凝土结构桥面。

       由于对铝材料缺乏认识和设计规范，而且没有现场载荷试验和焊接、连接经验。因此，现场铝桥面板的性能表现分析十分重要。为解决这一问题，肯塔基大学研究者对该桥铝面板在静载荷下应力及垂直偏转度进行了研究[9]，主要通过三维建模和有限元模拟进行，图7所示为模型网格化分后的截图。由于面板型材合金状态为6005-T6，其材料性能参数按照EN 1999-1-1标准中相应参数执行。对模型施加的载荷主要包括垂直方向动态载荷、水平方向动态载荷及恒载，载荷数值、动态因子等参数根据高速公路规范等标准要求执行，恒载包括面板、隔离层、沥青层等的自重。模拟中设定了两种载荷加载方式，并分别加载进行了模拟。
       有限元模拟结果表明，将AASHTO HS20-44卡车142.3KN载荷施加到模型上，母材和焊合影响区附近所受最大应力分别为132 MPa和72 MPa，根据相应规范设计要求计算的母材和焊合影响区附近设计强度分别为195 MPa和92 MPa。因此，该铝桥面板在两种加载方式下最大应力低于设计强度，满足强度要求。
       图8所示为有限元模拟的卡车负载下，铝桥面板型材的垂直偏转情况。图8上半部分为轮胎与面板截面中间部位的接触处，偏转度为1.18mm，图8下半部分为轮胎与面板截面边缘部分的接触处，偏转度1.33mm，偏转度均小于根据AASHTO  LRFD桥梁设计规范商定的1.35mm，符合要求。
       雷诺兹金属公司在铝桥面板的高耐蚀性、低密度、短工期等方面优势的吸引下，决定开发自己的铝桥面板系列[10]。弗吉尼亚交通中心其中有个项目由于该公司铝桥面板生产问题受到了推迟，当地交通研究委员会为解决这一问题，对该系列铝桥面板进行了大量的研究，主要包括三部分：对桥面板进行静态响应测试，包括7个正常负载测试和2个极限负载测试；建造桥梁的现场评价；面板系统的疲劳强度和表面耐磨寿命。
       国内李吉勤[4]等人，对天津市蚌埠桥铝桥面板的耐磨性、耐蚀性及寿命进行了实验性研究。他们使用材料科学研究中通用的金属耐磨性测试方法，对铝桥面板（人行通道）的耐磨性进行了准确的测试，并根据防滑纹的磨损情况对铝桥面板的使用寿命进行了预测，即1mm厚防滑纹可使其具有15年的耐磨寿命。耐蚀性结果表明，铝桥面板在PH值为4.0-6.0酸性溶液中抗腐蚀性良好，在PH值为4.5的混合盐溶液中抗腐蚀性较差，但仍需30年之久才能将厚度为1mm的防滑纹腐蚀掉，表现出了极强的耐蚀性。此外，还对腐蚀形貌进行了微观观察，腐蚀以点蚀为主，而且新氧化膜的不断出现大大延缓了其腐蚀速率。
       辛亚兵[11]等人对国内外铝合金桥及应用情况做了大量详细的调研，并根据调研结果、拓扑分析，综合我国挤压型材生产能力等因素，设计了两种铝合金铝桥面板断面。通过静载分析，ANSYS有限元软件模拟等手段对断面进行了精细优化分析。以一铝合金材料简支桁架桥为例，对桥的刚度、自振频率和稳定性进行了有限元模拟，与试验结果相吻合。将设计分析的铝合金面板更换到模拟的桁架桥上，模拟得到的刚度、自振频率和稳定性均能满足要求dalilvcai.com。
3.2 辅助结构件
       铝型材用于桥梁上的辅助结构件主要包括：在原有桥上增加的人行或自行车通道结构件，桥栏杆、路标支架、路标牌、照明灯支撑杆等，图9所示为MAADI集团某报告中制作的在该方面应用的示意图[12]。
       铝型材能够用于这些部件，主要是考虑到其良好的耐蚀性、低密度、美观等优点。国外已有相关的设计标准和规范，如加拿大高速路桥设计规范（CAN/CSA-S6-06）中包含照明用铝型材及栏杆铝型材的设计要求。而且在国外也有许多应用实例，如2009年萨帕公司在荷兰北布拉邦省就完成过一项高附加值的铝型材灯柱项目，其低维护费用、出色的防撞性能、可循环利用性和美观性得到了当地道路管理局的高度评价。

4. 铝型材在桥梁上的应用前景
       铝合金结构桥梁自在国外兴起以来，得到了较为广泛的推广、研究和应用，其应用在国外已趋于成熟。其广阔的发展前景可以从以下几点理解：
（1）传统观念的更正：有研究对比了铝桥、混凝土结构、钢结构桥梁的造价、维护费用、使用寿命、环境影响等因素，而且越来越多的工程实例也证实了铝合金的高造价金额可通过后期低维护费用等加以弥补[12, 13]。同时，也使国内外桥梁工程师对铝合金和铝型材的认识越来越深入。
（2）标准和规范：国内外有关铝合金结构桥梁设计标准和规范正在不断建立和完善中。国外的铝结构设计规范较多[12]，而且更新也比较及时，如加拿大CSA-S157、欧洲规范“铝结构设计”、美国的铝合金设计手册。铝桥设计规范包括：美国的AASHTO高速公路桥设计规范、加拿大高速公路桥设计规范（CAN/CSA-S6）等。国内虽然对铝合金结构设计应用研究较晚，但发展也比较迅速，目前有《铝合金结构设计规范》（GB 50429-2007）、上海市《铝合金格构结构设计规程》等。
（3）技术、合金及其性能研究：国内外对铝桥面板的研究已经较为成熟，而且应用也较为广泛。不断提高的材料研发水平，也为研发满足不同性能要求的新合金提供了技术保证。自20世纪末兴起的搅拌摩擦焊也为铝型材的性能保持提供了技术支持，为铝型材在铝桥面板、船舶甲板等方面的应用成为可能。在国内，2012年政府相继出台了《新材料产业“十二五”发展规划》、《有色金属工业“十二五”发展规划》和《铝工业“十二五”发展专项规划》，三个文件中要求到2015年，关键新合金品种开发取得重大突破。
（4）铝挤压行业的快速发展：由于铝型材的众多优点，其应用领域不断扩大，涉及航空航天、轨道交通、汽车、船舶、门窗幕墙等各领域。国外铝型材加工在工业方面发展迅速，产品种类较多。而国内虽然也用于世界顶尖的挤压设备，但由于发展模式限制等因素，主要侧重门窗幕墙型材。据有关资料显示，我国工业铝型材占铝型材总应用量仅约30%；而同期欧洲、北美和日本的铝型材消费结构中，工业耗用比例分别达到为60%、55%和40%。但未来几年内，在市场主导和政府引导的共同作用下，将逐步向工业型材转型。
       此外，铝型材本身拥有的众多特性也将成为其在桥梁上广泛应用的重要砝码。为了缓解国内越来越引人关注的交通压力，同时满足地铁建设要求的低地上压力的要求，更多的铝合金人行天桥、铝合金公路桥将会被设计使用。综上所述，从限制铝型材在桥梁上应用的几点分析，人们对铝合金的认识越来越深入，铝合金及铝桥设计规范不断完善，新材料、新合金、新技术发展迅速，铝合金挤压技术不断升级，国家政策的大力支持，这些都将为铝型材在桥梁上的应用推波助澜，为其广阔的发展前景提供保障。 
5. 结束语
       虽然铝型材在桥梁上的应用前景广阔，但其发展需要一定的时间，这期间需要国家、铝加工行业、高校及研究院所的共同努力。
       通过介绍典型的铝合金结构桥梁工程实例，对铝型材在桥梁上的应用可行性和可靠性给予了充分肯定。同时，笔者结合部分研究论文的报道，对铝合金的性能特点进行了全面分析。此外，文中还依照铝型材在桥梁上的应用部位，综述了国内外在该方面的研究现状。通过对铝型材在桥梁上应用阻碍的剖析，对其应用前景进行了展望，并提出了国内铝型材在桥梁上的应用推广需做的努力。
（1）国家要落实支持新铝合金研发和铝型材发展的政策，组织铝加工行业与桥梁设计院所及高校的交流与合作，不断完善有关铝合金结构设计规范和铝桥设计规范。
（2）与桥梁有关的高校和设计院所需要加强对铝合金的教育，提高桥梁设计工程师对铝桥的认识，使用有限元模拟等软件和先进研究手段加大对铝桥结构稳定性、疲劳强度、自振频率等进行研究；同时要加强与铝加工与铝挤压企业的合作，共同开发面板、面板、桁架等型材的设计与生产技术。
（3）与材料和铝挤压相关的高校和研究院所要加强与企业的合作，开发新材料、新合金、新技术，为铝型材在桥梁上的应用提供技术支撑。