鋁合金材料在橋梁中的應用研究

劉光輝(山西路橋第二工程有限責任公司)

鋁合金材料在橋梁中的應用研究

劉光輝(山西路橋第二工程有限責任公司)

鋁合金材料在橋梁當中應用的加強，主要是由于我國金屬冶煉技術的提高以及鋁合金材料性能的提高。鋁合金材料雖成本較高，但其具有強度—重量比高、易于裝配、耐久性好、養護費用低的優點，具有良好的應用前景。在分析總結國內外已建的鋁合金橋梁的結構和使用情況的基礎上，對其應用優缺點及性能予以研究，并指出其存在的問題和展望，對提高其產業整體水平具有重要意義。

鋁合金橋梁;發展現狀;應用特性

1 引言

鋼材作為土木工程應用較為廣泛的材料之一，但鋼橋長期為因其耐腐蝕性差而引起的耐久性問題所困擾，開發新型材料對橋梁的發展具有重要的理論和實踐意義。相對而言，鋁材因具有重量輕、耐久性好、易于養護和容易加工及含量豐富等諸多優點而備受關注。且隨著金屬鋁冶煉技術和材料性能的不斷提高及科學研究的不斷深入，鋁材在世界范圍內尤其是發達國家得到廣泛應用。在橋梁工程中，其不僅用于欄桿、防護欄、橋面板等局部受力構件的附屬構造外，亦先后出現了鋁結構橋、鋁穹頂及網架結構。鋁合金橋梁在國內外發展狀況鋁合金材料在橋梁建設的應用已有將近80年歷史，在歐美國家出現較早，相應的設計和施工規范亦較完善。1934年世界最早的鋁合金橋梁誕生，這就是美國匹茲堡的Smithfield橋。Smithfield橋利用鋁合金作為橋面，以此用來承受汽車與電車的重量，這是Smithfield橋最大的特點，而無須加固既有橋梁的基礎和基本橋跨結構，這種橋的建立最大的有點就是鋁合金作為了橋的主要建筑材料。自Smithfield橋建成之后的幾年間，利用鋁合金進行建造橋梁的工程越來越少，發展的也相對比較的緩慢，一直到了1946年美國在Massena建成第一座全鋁合金材料的橋梁。該橋是一座總長為153 m的七跨連續梁橋，其上部結構由混凝土橋面板與鋁主梁組成。在1946年至1962年這八年時間里，國外一些橋梁建造公司充分的利用鋁合金主要優點——材料輕，建造了相當多的一批鋁合金材質的橋梁，而這些橋梁大都是升降橋以及旋轉橋。近十年來，為發揮鋁合金材料的優越性，一些大型的工程，如:重載的石油平臺通道橋梁以及輕載的海邊步行橋建設上，都比較的廣泛的運用到了鋁合金材料，其亦廣泛用于軍事橋、人行橋等，且隨著的應用范圍的擴大，歐美國家業已制定了相應的設計及施工規范。國內鋁合金橋梁起步較晚，于2007年在杭州慶春路建成我國第一座鋁合金人行天橋，之后在北京、上海、南寧等地相繼建造十余座。擠壓型性能是鋁合金材料主要構件，而且鋁合金的截面形狀相當復雜，在設計其機構時要對鋁合金的材料特性要去考慮，對彈性模量、非線性應力應變關系以及焊接熱效應材料強度低的重點去考慮。

(1)表1所表示就是鋁合金力學性能與強度鋼以及低碳鋼的異同。從表中能得出強度鋼與鋁合金之間有著相同的強度，遠高于低碳鋼，但其彈性模量較低，這樣很容易發生因為彈性變化造成的局部的彎曲。于此之外，鋁合金還有著很好的負溫工作性能，鋁合金的這種性能在溫度低的情況下本身的強度與延性都有所提高，但是其對于高溫耐性相當的差。其應力-應變曲線同鋼筋相似，具有明顯的線彈性階段，不同之處是當應力接近屈服強度時，其彈性模量急劇降低，但沒有出現類似低碳鋼的屈服平臺而直接進入強化階段。

表1 鋁合金與鋼材性能差異

(2)緊固件以及焊縫是鋁合金的連接以及焊接性能的主要這兩種。螺旋式連接與鉚釘連接是緊固件的主要兩種方式。而采用鋁鋁鉚釘鉚接，并不是采用非鋼鉚釘，就是為了不同的金屬在潮濕的環境下進行的電化腐蝕。MIG焊接方式與TIG焊接方式是鋁合金比較常用的兩種方式，而這其中MIG焊接方式對于熱輸入要求比較低，而且能量也比較的集中，非常有利于提高焊接接頭性能。為考慮焊接時因熱影響區作用在焊縫附近強度將有所降低的因素，設計時在焊縫連接和承載力計算中應分別對強度和界面予以折減，而且伴隨著焊接技術的不斷發展與提高，以前出現的一些問題也都得以解決。運用氦-氬相互混合對鋁合金厚板的焊接可以很好的保護氣體，以此基礎上對焊縫熔深與生產效率都能去改善與提高。再有一點就是在焊接順序上應該保證焊接熱量能夠分布均勻。

(3)鋁合金的穩定性能;產生側向彎曲或者失穩是由于鋁合金與鋼受彎造成的，尤其因彈性模量較低而局部穩定問題較為突出。擠壓型才是鋁合金構件的主要特點，而且鋁合金的截面形狀也是相當的復雜多樣的，所以截面中心與整體的形狀并不重合，當橋梁產生扭矩時，那就是因為橫向荷載作用于剪切中心附近造成的，°雖然焊接殘余應力對焊接鋁合金手腕構件的彎曲有著一定的影響，但是與構件的長度并沒有關系，所以在計算其整體穩定問題時必須考慮焊接殘余應力和熱影響區效應。

2 鋁合金材料的優缺點及其展望

(1)優點相對于鋼材或者混凝土等材料，鋁合金具有如下優點:密度小，重量輕，比強度高。強度大概與低碳鋼相當，但比強度遠高于后者，既減輕橋梁上部結構重量，增大跨徑能力;又對基礎要求低，減小下部結構的承受荷載建，并降低其造價。同時在用于橋梁的維修加固時可提高承受活荷的比例，且較大構件可先在工廠預制而且現場運輸與安裝趨于簡單和便宜。當用于活動或可移動橋梁時，因能降低對機械設備的要求而具有獨特的優勢，如戰備橋梁抗腐蝕的性能好，受雨水及道路鹽分影響較小。鋁合金在大氣作用下表面能夠自然形成致密的Al2O3氧化膜，從而有效提高其耐腐性，極大地降低后期的維護費用。在鋼筋混凝土橋面板和鋁合金構件的組合結構中，由于鋁合金材料的熱膨脹系數(22×10-6)大于前者，在寒冷的環境下其較大的收縮可使混凝土中產生的微裂縫趨于封閉，避免了水分和氯化物侵入，對鋼筋起到良好的保護作用。高韌性，抗低塑斷裂，良好的低溫性能。隨著溫度的較低，鋁合金的強度反而有所增加而無低溫脆性問題，適合用于建造嚴寒地區的橋梁。可擠壓性能強可擠壓性強，易于加工成為各種復雜的斷面及空心型材，且具有特殊的光澤與質感可獲得良好的觀感，滿足結構的不同需要。回收性強易于回收，再處理成本低，回收利用價值比較高，再利用率高，有利于保護環境，符合可持續發展的要求。

(2)缺點當鋁合金材料用于橋梁建設時，亦存在許多不足。相對而言，其也有價格較高，振動頻率的變化幅度大，彈性模量低，熱膨脹系數大，耐高溫性能差，撓度大等缺點，在使用時必須充分考慮，合理設計，加以避免。

(3)展望發展鋁合金橋梁能夠消化鋁合金結構過剩產能，對企業的創新能力也得到了加強，對一些周邊的產業的發展也得到了促進。具有廣闊的應用前景。我國目前業已具備發展鋁合金結構橋梁的基礎條件，因此相關部門對于國外的一些先進經驗應該充分的借鑒，以此基礎之上，對于制定與完善我國的專業規范和標準，于此同時與鋁型材制造商等進行聯合，加快推進鋁合金結構橋梁在我國的應用和發展。

3 結語

新型鋁合金一種新型材料，將其應用于橋梁建設，并且充分的展現出顯出可持續發展優勢，并將橋梁的全服役期維護降低到最少。國外建設已經具有一定的經驗，而國內現下還處于研究探索的階段，但是對于鋁合金結構的橋梁建設也具備了建造的條件。隨著鋁合金材料的發展以及相關研究的深入，可以預測鋁合金結構橋梁今后在我國必將得到廣泛應用和發展。

［1］高振中，王祝堂.橋梁鋁材的進展與應用［J］.輕合金加工技術，2009，37(2).

［2］姚常華，楊建國，吳利權.鋁合金結構橋梁的應用現狀、前景及發展建議［J］.鋼結構，2009，(7).

［3］王斐峰，王琨.鋁合金橋梁發展的研究與探討［J］.鐵道工程學報，2009，(9):27-29.

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2013-01-31