鋁合金材料在橋梁工程中的應(yīng)用

摘 要:鋁合金具有重量輕、耐久性好以及容易加工等特點(diǎn)，應(yīng)用于橋梁工程中具有很大的優(yōu)勢。本文研究了鋁合金的材性力學(xué)特征，分析了鋁合金作為一種新型建筑材料應(yīng)用于橋梁工程中的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上回顧了國外鋁合金橋梁的主要發(fā)展歷程，闡述了鋁合金橋梁的現(xiàn)狀。最后討論了鋁合金材料應(yīng)用于橋梁工程需要進(jìn)一步研究的幾個(gè)主要問題。

關(guān)鍵詞:鋁合金橋梁工程應(yīng)用綜述

中圖分類號:TU528.59文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0094-02

鋁合金在世界范圍內(nèi)新建或橋梁維修中的應(yīng)用已經(jīng)有了很長時(shí)間的歷史。相比較而言，我國在該方面的研究基本上還是處于空白狀態(tài)。本文研究了鋁合金材料的材料力學(xué)特性，詳細(xì)分析了鋁合金應(yīng)用于橋梁的優(yōu)點(diǎn)，回顧了世界范圍內(nèi)鋁合金橋梁的發(fā)展歷程并對其現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，最后討論了鋁合金在橋梁中的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究的問題。

1 鋁合金的材料力學(xué)特性

1.1 主要力學(xué)性能指標(biāo)

目前，目前用于建造或修復(fù)鋁合金橋梁的鋁合金有多種如6061-T6型鋁合金和高強(qiáng)度鋁合金型材70XX-T6系列等。本文主要介紹工程中比較常用的6061-T6型鋁合金的材料力學(xué)性能。

我國《鋁合金建筑型材》(GB5237-2000)、現(xiàn)行美國鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和歐洲規(guī)范給出的相同類型鋁合金材料主要力學(xué)性能指標(biāo)見下表。文獻(xiàn)[5]實(shí)測得到的鋁合金材料材性指標(biāo)值也見表中。可以看出，各規(guī)范給出的鋁合金材料主要力學(xué)性能指標(biāo)值差別不大(如表1）。

1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單向拉伸試驗(yàn)表明，鋁合金材料存在明顯的線彈性階段;當(dāng)拉應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度時(shí)，材料的彈性模量急劇降低，但沒有出現(xiàn)類似低碳鋼的屈服平臺而是直接進(jìn)入了強(qiáng)化階段。圖1是實(shí)測得到的兩條鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，鋁合金材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性連續(xù)性，這與鋼材有所不同，必須采用更為復(fù)雜的模型才能實(shí)現(xiàn)對鋁合金結(jié)構(gòu)的精確分析。

Ramberg-Osgood模型是一個(gè)能夠比較理想描述鋁合金材料本構(gòu)關(guān)系的解析模型，如下式所示:

(1)

上式中，是一個(gè)描述材料應(yīng)變硬化的參數(shù)，由材料試驗(yàn)確定，一般情況下可以用Steinhardt給出的近似表達(dá)式確定:

(2)

2 鋁合金材料應(yīng)用于橋梁工程的優(yōu)點(diǎn)

與混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建筑材料相比，鋁合金具有下列優(yōu)點(diǎn)。

(1)重量輕、比強(qiáng)度高。鋁合金材料的密度為2.7g/cm3，大致為鋼材的三分之一，而常用的6000系列鋁合金材料的強(qiáng)度比一般常用的碳素鋼的強(qiáng)度還要高。如6061-T6型鋁合金的屈服強(qiáng)度為245MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)265MPa，已超過Q235鋼的強(qiáng)度指標(biāo)。高強(qiáng)度鋁合金型材，如70XX-T6系列的屈服強(qiáng)度可達(dá)300MPa，甚至500MPa以上。因此，采用鋁合金代替鋼材或者混凝土建造橋梁結(jié)構(gòu)可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重。由于橋梁的上部結(jié)構(gòu)較輕，不但減輕了施工強(qiáng)度，縮短施工周期而且對基礎(chǔ)的要求降低，減少了下部結(jié)構(gòu)的建造費(fèi)用。

(2)鋁合金材料具有良好的耐腐蝕性能，鋁合金在大氣的影響下，其表面能夠自然地形成一層氧化層。這種氧化層可以在很大程度上防止鋁合金材料的腐蝕，這種良好的耐腐蝕性可極大地減少橋梁的防腐和維護(hù)費(fèi)用;在鋼筋混凝土橋面板和鋁合金構(gòu)件起組合作用的情況下，由于鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)(22×10-6)比鋼筋混凝土大，所以在寒冷的環(huán)境下鋁合金材料的收縮可以使混凝土中產(chǎn)生的微裂縫趨于封閉，使得水分和氯化物無法侵入，從而保護(hù)了鋼筋。

(3)由于重量輕，鋁合金橋梁大多采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝的方法，其預(yù)制、運(yùn)輸以及安裝過程簡單，時(shí)間短，費(fèi)用較低，能夠適應(yīng)符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求。

(4)鋁合金材料具有良好的低溫性能，隨著溫度的降低，其強(qiáng)度反而有所增加且無低溫脆性問題，因此可以用于制造寒冷地區(qū)的橋梁。

(5)在現(xiàn)有橋梁的維修加固時(shí)，可以以較小的重量增加較大的承載力，提高橋梁承受活荷載的比例。

(6)鋁合金材料易于回收，再處理成本低、再利用率高，有利于環(huán)境保護(hù)，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

目前，鋁合金材料的價(jià)格高于鋼材，但是其較低的制造、運(yùn)輸、安裝費(fèi)用和較短的時(shí)間、低廉的維護(hù)費(fèi)用可以彌補(bǔ)其原始材料價(jià)格上的劣勢。當(dāng)鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)采用合理的設(shè)計(jì)、使用預(yù)制構(gòu)件、簡化安裝時(shí)其原始造價(jià)基本與鋼結(jié)構(gòu)差不多，但就其終身費(fèi)用來說，鋁合金結(jié)構(gòu)則更具有競爭力。

3 國外鋁合金橋梁的發(fā)展歷程及其現(xiàn)狀

鋁合金在橋梁工程上的應(yīng)用除可用于橋梁附屬構(gòu)造，如橋面板、欄桿以及防護(hù)欄等局部受力構(gòu)件外，還可以用于橋梁的主結(jié)構(gòu)。

世界上鋁合金第一次應(yīng)用是在1933年美國匹茲堡的Smithfield Street橋的鋁合金橋面板上。由于鋁合金材料的使用使得整座橋梁的自重減輕了675噸，使得橋的承載力由原來的4.5t增至16t。世界上第一座鋁合金跨于1946年在美國的Massena建成，它是該橋7跨中的一跨，使用的鋁合金為2014-T6型鋁合金，跨度為30m，總重量為25噸，僅相當(dāng)于鋼跨的43%。

1958年至1963年間，美國對鋁合金橋梁產(chǎn)生了濃厚的興趣。盡管鋁合金橋梁的費(fèi)用比鋼橋的費(fèi)用高，但是人們認(rèn)為可以通過鋁合金橋梁在制造、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)方面的優(yōu)勢來補(bǔ)償。在這期間，共修建了7座鋁合金橋梁。其中第一座是在Iowa修建完成的一座公路橋。它是世界上第一座焊接鋁合金橋梁，該橋總共有4跨，總長為67m，橋?qū)?0.97m。

歐洲的第一座鋁合金橋梁是1949年建于英國的Sunderland的一座可移動橋梁，橋長37m，橋?qū)挒?.64m。橋梁的主結(jié)構(gòu)由兩種不同類型的鋁合金構(gòu)成，大梁采用6151型鋁合金而橋面板采用的是2014A型。整個(gè)橋梁的重量相當(dāng)于相同鋼橋的40%。

1951年，匈牙利建成了一座全鋁合金橋梁。該橋全長為13.2m，橋面板由兩塊3.15×3.66m的鋁合金板組成。1956年德國開始建造了鋁合金公路橋，至1970年，德國已經(jīng)建成了20余座鋁合金橋梁。20世紀(jì)70年代后期，法國建造了兩座鋁合金橋梁，第一座為一兩跨的懸索橋，總長度為159.8m。采用鋁合金的目的主要是減輕結(jié)構(gòu)的自重。除了上述介紹的一些具有重要?dú)v史意義的鋁合金橋梁外，在1950年至1985期間，許多國家都修建了鋁合金橋梁，主要集中在歐洲的一些國家。

20世紀(jì)60年代后期鋁合金的價(jià)格上漲阻礙了鋁合金材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，但是早期鋁合金在橋梁中的應(yīng)用為以后鋁合金橋梁的建造打下了良好的基礎(chǔ)。90年代以后，隨著鋁合金材料價(jià)格的回落，鋁合金橋梁的應(yīng)用又重新引起人們的廣泛關(guān)注。1995年以來，許多國家都掀起了對鋁合金橋梁設(shè)計(jì)的新探索。從目前的情況來看，鋁合金材料在系列領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景:替換或修復(fù)損壞的橋面板、加長既有橋梁、建造可移動橋梁、浮橋以及人行橋。

1996年挪威建造了其第一座全鋁合金公路橋梁，用以取代一座由鋼梁和鋼筋混凝土板做成的具有60年歷史的舊橋。該鋁合金橋位于Forsmo市，橋長39m，由兩個(gè)箱梁組成，橋面板又作為箱梁的上翼緣。

由于鋁合金材料重量輕，建造可移動橋梁優(yōu)勢極為明顯。荷蘭分別于1999年和2003年建造了兩座鋁合金可移動橋梁，兩座橋除了側(cè)面和軌道由于藝術(shù)原因加以電鍍外，其他各處的鋁合金未被進(jìn)行電鍍保護(hù)，該兩座橋梁最近獲得了歐洲鋁合金獎(jiǎng)。

4 結(jié)語

鋁合金作為一種新型建筑材料，具有輕質(zhì)、美觀、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。本文回顧了國外鋁合金橋梁的發(fā)展歷程并闡述了其現(xiàn)狀，例證了鋁合金材料在橋梁工程中的成功應(yīng)用。然而，由于鋁合金材料應(yīng)用于橋梁工程中的時(shí)間尚短，關(guān)于鋁合金材料及其結(jié)構(gòu)的研究不夠全面，加上鋁合金材料本身的一些缺點(diǎn)，從而使得鋁合金應(yīng)用于橋梁工程尚存在一些需要進(jìn)一步研究的問題。列舉如下。

(1)鋁合金材料的彈性模量較低，因此鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形較大，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。而FRP-鋁合金組合結(jié)構(gòu)有望成為克服這一缺點(diǎn)的有效措施。

(2)雙金屬作用對鋁合金材料的腐蝕。當(dāng)不同種類的金屬一同耦合在潮濕的環(huán)境中時(shí)，將發(fā)生電化腐蝕，較活躍的金屬會被腐蝕掉。這一現(xiàn)象意味著當(dāng)鋁合金與鋼材一起使用時(shí)，鋁合金材料將被鋼腐蝕，這需要在實(shí)際工程中加以重視和解決。

(3)關(guān)于鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞特性和抗震特性的研究較少，足尺結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗疲(勞試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)研究需要加強(qiáng)。

(4)應(yīng)用于橋梁工程中的多孔擠壓技術(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化。

(5)鋁合金橋梁的初始建造費(fèi)用較高，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等盡量加以降低。

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