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1、 .铝型材在桥梁上的应用与发展前景更新时间：2015-02-11 11:19 出处：铝博士网 浏览次数：7192 | 文字大小：大 中 小 王兴瑞，刘 坚，张洪辉，刘 洋（山东南山铝材公司，山东龙口，265706）摘要：本文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。关键词：铝型材；铝结构桥梁；铝桥面板
2、；主结构件；辅结构件；应用前景The application and development prospect of aluminum profile in bridgeWang Xingrui, Zhang Honghui, Liu Yang(Shandong Nanshan Aluminum Profile Company, Shandong Longkou, 265706)Abstract: In this paper, aluminum profiles feasibility and reliability using as parts in bridge is fully conf
3、irmed by the introduction of typical aluminum bridge engineering projects. Meanwhile, referencing several investigation papers, this author comprehensively analyzed property of aluminum alloy. Furthermore, in this paper, study status of aluminum profile utilizing in bridge has also been demonstrated
4、 based on their application site. Through analysis of obstacles hindering aluminum profiles application in bridge, its application prospect is predicted. And what kind of endeavor should be done to popularize aluminum profiles application in bridge has also been briefly mentioned.引言铝合金作为典型的有色金属，其质轻、
5、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
6、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
7、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561。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
8、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1。 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
9、，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2。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
10、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
11、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。
12、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。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
13、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1.88110-5/ 2.36010-5/，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
14、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
15、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
16、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
