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铝合金在民用与军用桥梁中的应用

发布时间:2019-07-03 06:31 来源:未知 编辑:admin

  铝合金在民用与军用桥梁中的应用铝合金在民用与军用桥梁中的应用王春生,袁卓亚,高珊,叶礼锋9 铝合金在民用与军用桥梁中的应用 (1.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室,陕西西安710064;2.西安公路研究所,陕西西安700054;3.福建南平战备办公室,福建南平353000) 摘要:分析总结铝合金在桥梁工程应用的现状,重点介绍国外不同结构形式和不同 功能的民用铝桥的应用 情况;并以瑞典装甲架桥车为例,介绍国内外军用铝桥的应用及发展前景;同时对 铝一轻质混凝土组合梁进行分 析说明.国外的成功经验表明,铝合金桥梁在未来的桥梁建设中具有很大的发展潜 关键词:铝桥;组合铝梁;铝合金中图分类号:U448.36;U448.2 文献标识码:A 文章编号:1671—7767(2007)03—0009 —04 引言由于铝合金具有强度重量比高,断裂韧度和疲 劳强度高,耐腐蚀和稳定性好,可塑性,焊接性好等 诸多优点,它在土木工程中的应用越来越广,在桥梁 工程中也越来越引起人们的兴趣与重视.铝合金材 料的研究及其在桥梁工程中的应用已经成为桥梁创 新设计的重要方向之一[1qJ. 铝合金应用于桥梁工程中的历史可以追溯到 1933 年美国匹兹堡史密斯菲尔德街桥上的铝桥面 板.接下来的50 年,全世界兴建了大约近百座铝合 金桥梁.1946 年,美国在马塞纳修建了世界上第一 座铝合金桥,它是一座七跨连续梁桥,上部结构由混 凝土桥面板与铝主梁组成(包括纵梁和所有的支座 都是由铝合金制成).全桥总长153m,宽9.75m, 重150t.现如今在土木工程领域铝主要应用于:军 用桥梁,民用桥梁(尤其是人行天桥),浮桥及可移动 桥梁,旧桥面板的替换及既有桥梁的重建等. 不同结构形式的民用铝桥2.1 连续箱梁桥 在土木工程领域,铝材体现出越来越大的优势, 现在也被广泛应用于桥梁改建工程中.挪威的第一 座现代全铝桥是1996 年修建的福斯莫(Forsmo)公 路桥(见图1).该桥位于诺尔兰郡,取代一座已有 60 年历史的旧桥.压制件采用6082 型及6005 合金.这座全铝桥长39m,由2片箱梁组成,桥面 板同时又作为箱梁的上翼缘.箱梁主要由带整体加 劲肋的窄扁压制件组成,这种压制件还用于桥梁的 腹板及下翼缘板中,并沿桥纵向布置.箱梁内部每 挪威福斯冥公路桥隔3m 设一横向支撑,起到保持主梁稳定并传递荷 载的作用.桥面板由3 室中空压制件组成,高0.123 m,宽0.25m.压制件内部的4 片腹板互成60.角 形成横向框架,与上翼缘板焊接在一起组成正交异 性桥面板同时焊接在箱梁上缘[2]. 2.2 桁架桥 1955 年,德国首次使用铝合金修建了施万贝尔 (Schwansbel1)桥(见图2),位于吕伦附近;跨越达特 尔恩一哈姆运河,于1956 年正式投入使用. 施万贝尔桥该桥采用桁架体系,全桥跨径44.2m,宽5.1 m,其中行车道宽3.5m.可以承担120kN 形支撑及I形斜杆.结构材 料选用A1MgSilF32,相当于目前的ENAW6082 收稿日期:2007—04—21 编译者简介:王春生(1972 一),男,副教授,1995 年毕业于西安公路交通大学桥梁工 程专业,工学学士,2000 年毕业于长安大学桥梁与隧道工 程专业,工学硕士,2003 年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业,工学博士,2006 清华大学土木工程博士后出站.10 世界桥梁2007 T6型合金.桥面板由~些厚0.16m 的特制铝压件 栓接形成,同时用冷拉铝合金螺栓栓接在纵梁上. 为了避免在铆钉与板之间发生缝隙腐蚀,该桥在板 的表面及连接截面处涂有1 层保护层,同时还能填 封缝隙.该桥的上部结构是在运河附近的车间预制 安装的,然后由船运送至施工现场,再由起重机吊放 在桥台上.这座桥历经风雨50 年,在鲁尔地区强腐 蚀环境下加之没有涂刷任何保护层,其表面已变灰 变暗,但丝毫没有影响其承载能力及各构件的使用 性能.这座人行桥用铝25t,总造价98000 欧元. 实践证明,该结构体系在稳定性,安全性及耐久性方 面均表现出众]. 2.3 拱桥 1950 年,加拿大在魁北克省阿尔维达建成了一 座全铝拱桥,主拱跨径88.4ITI,高14.5121,主拱两 侧是间距为6.11TI 梁组成,上面铺设钢筋混凝土桥面板.所有支座也均由铝合金制成.全桥总长153ITI,宽9.75ITI.采 用2014 一T6 型铝合金,总重150t.目前该桥仍在使 用之中,是世界上跨径最大的一座铝桥. 2.4 悬索桥 2O 世纪7O 年代初期,法国修建了2 座公路铝 座位于蒙梅勒,跨越索思河.最初该桥的上部结构由钢与木结构组成,目前已被全铝桁架结 构所代替.采用全铝结构的目的在于减轻桥梁自 重.上部结构的2 形斜杆组成.材料选用ASGMT6型合金.桥 面板由焊接铝横梁,I 形纵梁及特制组合板与铝栅 格粘结在一起而形成.第2 越罗讷河,跨径174m,其中桁架主梁采用6082R31型合金,桥面板由原来的钢木组合结构替换为轻质 混凝土结构].意大利借鉴法国2 座悬索桥改建的 经验,采用相似的措施对雷亚尔?费迪南多(Real Ferdinando)悬索桥进行了翻新.雷亚尔?费迪南 多桥始建于1832 年,第二次世界大战以后桥面板完 全损坏,因此整座桥长期被废弃.为了重新利用它 来连接两边的交通,1998 年在原始桥梁的基础上修 建了一座新型铝悬索桥.全桥长85rYl,宽5.8rYl, 其悬索体系由2 道截面为矩形的铁索组成并通过圆 柱形销钉连接在一起,竖向吊索问距为1.36rYl,吊 索与纵梁的连接装置嵌在桥墩墩顶内部.纵梁采用 7020T6 型铝合金,横粱则采用6060T6 型铝合金. 纵梁选用由两水平弦杆与竖向构件连接形成的佛伦 弟尔(Vierendee1)梁(见图3)方案,并与吊索具有相 同的间距.主梁下弦杆间设x 形剪力撑增加了桥 梁的横向刚度. 佛伦弟尔主梁细节构造2.5 高架桥 美国在l958~l963 年间,对铝桥产生了浓厚的 兴趣,这期间美国修建了7 座铝桥.其中一座是位 一80州际高速公路的克莱夫(Clive) 公路桥,它是世界上第一座焊接铝桥,是一座4 高度为965ITtm的焊接铝板梁以及横向支承与主梁 用高强螺栓连接形成.该桥首次采用混凝土桥面板 与铝质上部结构的体系.板材和角钢分别采用 5083 一H113 型和5456 一H321 型铝合金,这种结构体 系在当时非常新颖,而且还具有强度高,可焊性好, 耐久性好和抗腐蚀等优点.1993 年由于道路枢纽 改建该桥被拆除_2j. 2.6 活动桥(开启桥) 由于铝具有重量轻,运输方便等优点,目前已被 广泛应用于可移动桥梁的修建.位于荷兰海尔蒙德 和阿姆斯特丹的2 座姊妹桥是一种别具一格的开启 桥.位于海尔蒙德的铝桥,修建于l999~2000 间,全长10121,包括2个行车道和1 个自行车道. 上部结构采用的6082 型合金完全由船运送到施工 现场.位于阿姆斯特丹的里克哈文(Riekerhaven) 开启桥于2003 月交付使用,分为10ITI和13121 两跨,上部结构由梯形截面桥面板及高0.9m 梁组成(见图4).除了侧面和栏杆为了美观涂有油漆外,整座桥没有一处涂刷防腐层.这2 座桥分别 于1999 年和2003 年获得欧洲铝结构奖]. 2.7 浮桥 最近,荷兰为了研究运输基础设施的创新方法, 设计了1 座单车道漂浮式公路浮桥(见图5).其通 行车辆的最大速度可达80km/h.它由矩形预制块 组成并与两侧公路面相连,从而增加了其整体刚度. 这些预制块可以用卡车运送到任何需要的地方,而 且形式多样可以满足不同环境的需求.该浮桥用打 铝合金在民用与军用桥梁中的应用王春生,袁卓亚,高珊,叶礼锋 荷兰海德尔附近的铝浮桥人土中的钢管桩锚固,结构内部填有聚苯乙烯泡沫 材料(即使结构破坏也不会很快下沉)2]. 2.8 人行桥 由于具有轻质,耐腐,美观等特性,铝合金广泛 用于人行桥的建设中,其中最具特色的是伦敦皇家 芭蕾舞学院与皇家歌剧院之间的扭转箱形铝梁(见 图6).其几何外形极其复杂,由一系列铝构件和方 木框架组成.梁及框架在伦敦西部组装并打磨,然 后整体运到现场并安装,整个过程仅用了3h.这 座桥已成为伦敦的标志性建筑.由于其独特的设计 及新颖的材料获得了许多奖项.然而遗憾的是多数 人都没有见过其内部构造(见图7)]. 铝质桥面板在北欧的很多国家,由于外界环境恶劣,冬季时 在路面上撒盐,以及日益增长的交通荷载,使桥面板 使用中的志向桥已严重破坏.在桥梁修复中,人们常使用铝压制的 桥面板替换已破坏的桥面板.迄今为止,已有70 座桥采用Sapa桥面板体系.这种桥面板中最基本 的构件就是由空心铝压制板制造的正交异性桥面 板,这种压制件由上翼缘的舌和槽组合而成(见图 8).这种连接方式可以将剪力从一个压制件传递到 其它压制件,同时每个压制件可以自由转动.中空 截面为压制件提供了较强的抗扭刚度,有利于抵抗 由车轮荷载等集中力引起的局部变形.这种桥面板 常作为局部构件安装在钢主梁的结构上,有时也直 接安装在主要结构上.两支撑梁之间的距离根据压 制件的形式和大小在1.2~3.0In 之间变化. I-300~I 图8Sapa桥面系的横截面外形 铝质桥面板的重量仅为50~70kg/m.,相当于 混凝土桥面板重量的1/10.铝质桥面板具有很好 的耐腐蚀性,可用于海洋环境,而且其施工工期短, 适用于大交通量桥梁的维修. 铝质桥面板适用于悬索桥,浮桥及固定式钢结 构桥梁.在桥梁的建设中,铝的应用可以减少自重 和基础工程的规模,所以铝也适用于各种新型桥梁 的建造. 在软土地区,应用恰当的桥面板系可使自重减 少,使地基承受更大的活荷载,从而避免了额外的配 筋加固措施.在桩基础中,这意味着可以减少基桩 数量. 研究表明,铝质桥面板引起的自重减少量与桥 梁的规模成正比.其主要原因是随着跨径的增加, 恒载相对活载的比例也增加]. 12 世界桥梁2007 军用铝桥目前,装甲架桥车在瑞典已开始研发.这是由 于德国2000 年春天开始豹式型坦克计划时,原来 使用装甲架桥系统的钢桥破坏了.随后进行的分析 和计算表明:安全富余低于以前的假设.因此一种 新型桥梁诞生了(见图9).它由轧制铝板焊接而 成,其中一部分是摩擦搅动焊接,另一部分则是惰性 气体保护焊接(MIG).桥跨总长2om,最大可承受 豹式型坦克的负载及NATO 标准中的7O 级军用 荷载]. 图9Kb71 型20m 拼接坦克桥 目前用来通行装甲车的军用桥梁及多数战备桥 梁常用铝合金制造.随着高科技的发展,未来战场 的侦察能力和打击精度,强度都越来越高,战场情况 瞬息万变,对桥梁装备的水,陆快速机动要求也越来 越突出.铝合金具有轻质,高强,耐腐蚀等特点,加 之特种铝材的可挤压性以及它的比强度(强度一重 量比)高而使之成为理想的结构材料.由于铝合金 结构的重量轻,对地基基础的承载能力要求低,材料 自身的强度高,相对钢桥来说铝桥具有承载力大,变 形小,刚度强,稳定性好等优点,能更好地满足战备 桥梁快速机动灵活的要求.纵观近期国外局部战争 中的经验,铝桥作为轻型化结构的桥梁成为新生的 宠儿.然而,我国在铝合金战备桥梁方面,除了对舟 桥甲板进行了一定的研究外几乎空白.因此,有必 要在借鉴国外铝结构设计规范及铝合金桥梁装备研 究经验的基础上,结合现有的铝质舟桥的试验资料, 对铝合金桥梁进行更加深入,更加充分的研究. 5铝一轻质混凝土组合梁 为了提高桥梁的承受能力,基于对全球铝合金 桥梁的使用经验,波兰学者研发了铝一轻质混凝 土(ALLC)组合梁用以替代钢筋混凝土结构. 铝一轻质混凝土组合梁在2O 世纪5O 年代的早 期已经被用于桥梁结构了.第一座带有铝材和钢筋 混凝土的组合式桥是建于1958 一8O立交桥.随后的1959 年和1960 年先后在纽约 的杰里科收费公路上修建了2 座桥,采用的就是铝 合金铆接板梁与混凝土面板的组合.另外,法国格 罗莱悬索桥上铝构件是被轻质混凝土包裹着的.在 目前的知识水平下,现行规范里还没有一个切实可 行的方法来评估结构的强度,因此有必要对ALLC 梁复杂的特性进行全面的研究口]. 结语铝合金的开发与应用所产生的风潮已经席卷了 整个欧洲,同时波及到北美及亚洲等区域.国内外 的诸多实例均验证了其受力性能和使用性能上的优 越性.在桥梁设计和施工方面,铝桥的经济效益也 已日益明显.随着我国科学技术的进步和生产工艺 的不断完善,铝合金在国内民用桥梁及军用桥梁中 的应用规模必将进一步扩大,在不久的将来铝合金 桥梁必定会掀起一股桥梁技术创新的新浪潮. 参考文献: [1]JohnDwight.AluminumDesignandConstruction[M]. 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