鋁合金材料在橋梁工程中的應用

摘 要:鋁合金具有重量輕、耐久性好以及容易加工等特點，應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特征，分析了鋁合金作為一種新型建筑材料應用于橋梁工程中的優(yōu)點。在此基礎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用于橋梁工程需要進一步研究的幾個主要問題。

關鍵詞:鋁合金橋梁工程應用綜述

中圖分類號:TU528.59文獻標識碼: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用已經(jīng)有了很長時間的歷史。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特性，詳細分析了鋁合金應用于橋梁的優(yōu)點，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)狀進行了闡述，最后討論了鋁合金在橋梁中的應用需要進一步研究的問題。

1 鋁合金的材料力學特性

1.1 主要力學性能指標

目前，目前用于建造或修復鋁合金橋梁的鋁合金有多種如6061-T6型鋁合金和高強度鋁合金型材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)設計規(guī)范和歐洲規(guī)范給出的相同類型鋁合金材料主要力學性能指標見下表。文獻[5]實測得到的鋁合金材料材性指標值也見表中。可以看出，各規(guī)范給出的鋁合金材料主要力學性能指標值差別不大(如表1）。

1.2 應力-應變曲線

單向拉伸試驗表明，鋁合金材料存在明顯的線彈性階段;當拉應力接近屈服強度時，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入了強化階段。圖1是實測得到的兩條鋁合金材料的應力-應變曲線。可以看出，鋁合金材料的應力-應變曲線呈現(xiàn)非線性連續(xù)性，這與鋼材有所不同，必須采用更為復雜的模型才能實現(xiàn)對鋁合金結(jié)構(gòu)的精確分析。

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

(1)

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

(2)

2 鋁合金材料應用于橋梁工程的優(yōu)點

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。

(1)重量輕、比強度高。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度比一般常用的碳素鋼的強度還要高。如6061-T6型鋁合金的屈服強度為245MPa，抗拉強度可達265MPa，已超過Q235鋼的強度指標。高強度鋁合金型材，如70XX-T6系列的屈服強度可達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，不但減輕了施工強度，縮短施工周期而且對基礎的要求降低，減少了下部結(jié)構(gòu)的建造費用。

(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費用;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，從而保護了鋼筋。

(3)由于重量輕，鋁合金橋梁大多采用工廠預制、現(xiàn)場安裝的方法，其預制、運輸以及安裝過程簡單，時間短，費用較低，能夠適應符合現(xiàn)代施工技術的工業(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，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，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

目前，鋁合金材料的價格高于鋼材，但是其較低的制造、運輸、安裝費用和較短的時間、低廉的維護費用可以彌補其原始材料價格上的劣勢。當鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)采用合理的設計、使用預制構(gòu)件、簡化安裝時其原始造價基本與鋼結(jié)構(gòu)差不多，但就其終身費用來說，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用除可用于橋梁附屬構(gòu)造，如橋面板、欄桿以及防護欄等局部受力構(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用比鋼橋的費用高，但是人們認為可以通過鋁合金橋梁在制造、運輸、安裝和維護方面的優(yōu)勢來補償。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。整個橋梁的重量相當于相同鋼橋的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歷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60年代后期鋁合金的價格上漲阻礙了鋁合金材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應用，但是早期鋁合金在橋梁中的應用為以后鋁合金橋梁的建造打下了良好的基礎。90年代以后，隨著鋁合金材料價格的回落，鋁合金橋梁的應用又重新引起人們的廣泛關注。1995年以來，許多國家都掀起了對鋁合金橋梁設計的新探索。從目前的情況來看，鋁合金材料在系列領域中具有廣闊的應用前景:替換或修復損壞的橋面板、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)面和軌道由于藝術原因加以電鍍外，其他各處的鋁合金未被進行電鍍保護，該兩座橋梁最近獲得了歐洲鋁合金獎。

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。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用。然而，由于鋁合金材料應用于橋梁工程中的時間尚短，關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，從而使得鋁合金應用于橋梁工程尚存在一些需要進一步研究的問題。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用。而FRP-鋁合金組合結(jié)構(gòu)有望成為克服這一缺點的有效措施。

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

(3)關于鋁合金橋梁結(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(勞試驗和抗震試驗研究需要加強。

(4)應用于橋梁工程中的多孔擠壓技術需要進行優(yōu)化。

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

參考文獻

[1]周世軍，鄭潔.鋁橋面板在國外橋梁中的應用[J].公路工程與運輸，2005(141):92～94.

[2]程幼勤.鋁合金橋梁[J].中外公路，1986(4):37～38.

[3]GB5237-2000.鋁合金建筑型材[S].

[4]CEN.PrEN1999-1-1:2002.Design of Aluminium Structures-General Structures rules[S].

[5]張錚，張其林.H型截面鋁合金壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定承載力的試驗及理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2006，27(5):9～15.