鋁合金在城市人行天橋中的應(yīng)用

摘 要：鋁合金作為高性能建筑材料，具有密度小、強(qiáng)重比高、耐腐蝕、焊接性能好、易于裝配、維護(hù)費(fèi)用低及可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)。在橋梁工程領(lǐng)域，國外已有不少成功的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)鋁合金橋梁設(shè)計(jì)與建造的相關(guān)技術(shù)與裝備已經(jīng)成熟，而我國在鋁合金橋梁技術(shù)方面目前尚處于起步階段，且主要集中于城市人行天橋中。國內(nèi)已經(jīng)鋁合金人行天橋運(yùn)行良好，得到了各界的認(rèn)可，鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在我國必將得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鋁合金；橋梁工程；人行天橋

1 概述

鋼材作為橋梁工程中應(yīng)用較為廣泛的材料之一，因其耐腐蝕性差而引起的耐久性問題所困擾，開發(fā)新型材料對(duì)橋梁的發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

鋁合金材料因?yàn)榫哂衅鋸?qiáng)重比高、耐腐蝕、斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度高、焊接性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、航天、航空、船舶、汽車制造、軍工、包裝、電子和電力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。正是這些優(yōu)點(diǎn)使得鋁合金成為一種新型的建筑材料，開始應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)當(dāng)中。在歐美等國家，早在二十世紀(jì)三、四十年代鋁合金結(jié)構(gòu)就被應(yīng)用到橋梁的維修與建設(shè)中。在我國，鋁合金結(jié)構(gòu)在杭州、上海、北京、南寧等城市人行天橋中被陸續(xù)采用，目前使用狀況良好。

2 鋁合金的性能特點(diǎn)及鋁合金人行天橋的優(yōu)勢(shì)

2.1 鋁合金的性能特點(diǎn)

鋁合金之所以在橋梁中得到廣泛的應(yīng)用，主要是其具有較多鋼和混凝土結(jié)構(gòu)所不可匹敵的優(yōu)點(diǎn)。

（1）密度：鋁合金的密度約為鋼的1/3左右，具有較高的比強(qiáng)度，有利于橋梁的減重，提高橋梁的負(fù)載能力。

（2）耐蝕性：鋁合金能夠在自然條件下形成氧化膜，對(duì)內(nèi)部材料形成保護(hù)，具有良好的耐蝕性，無需進(jìn)行表面涂層防護(hù)，因此具有高的服役壽命和低的維護(hù)費(fèi)用。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在高鹽含量與污染物環(huán)境下，鋁材料、耐候鋼和低碳鋼的厚度腐蝕速率分別為0.0194mm/年、0.81mm/年和2.19mm/年。

（3）強(qiáng)度：與低碳結(jié)構(gòu)鋼相比，常用5系和6系鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在110-350MPa間，力學(xué)性能可觀，而且隨著技術(shù)水平的提高，更高強(qiáng)度鋁合金材料的研發(fā)成為可能。

（4）韌性：鋁合金具有高韌性和低塑性斷裂抗力，與鋼相比，無明顯低溫塑性-脆性轉(zhuǎn)變特性，這一特點(diǎn)使其在某些低溫環(huán)境下應(yīng)用非常有優(yōu)勢(shì)。

（5）焊接性能：與鋼相比，鋁合金焊合區(qū)力學(xué)性能損失較大，但通過優(yōu)化焊接工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可進(jìn)行有效地彌補(bǔ)，如攪拌摩擦焊能夠很好地將鋁合金進(jìn)行焊接并使焊合區(qū)力學(xué)性能保持或提高。

（6）疲勞性能：鋁合金的疲勞強(qiáng)度低于鋼，最初設(shè)計(jì)規(guī)定為鋼疲勞強(qiáng)度的1/3，但鋁合金可通過擠壓加工實(shí)現(xiàn)整體成形，避免焊接導(dǎo)致的疲勞強(qiáng)度降低，而且可使局部壁厚增大，從而降低應(yīng)力的影響。

（7）熱膨脹系數(shù)：鋁合金的線熱膨脹系數(shù)為1.881×10-5/℃～ 2.360

×10-5/℃，約為鋼和混凝土結(jié)構(gòu)的2倍，因此，在設(shè)計(jì)使用中必須注意熱脹冷縮帶來的尺寸影響。

（8）經(jīng)濟(jì)性：鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁造價(jià)雖然約為鋼或混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的兩倍甚至更高，但其可加工性強(qiáng)，加工費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用低，服役周期長（一般可達(dá)50年），總體費(fèi)用算來，與傳統(tǒng)鋼或混凝土結(jié)構(gòu)橋梁費(fèi)用持平或略低。

（9）可持續(xù)發(fā)展性：鋁合金良好的耐蝕性無需定期的噴漆防腐維護(hù)，一定程度上減少了對(duì)環(huán)境的危害；整體結(jié)構(gòu)組裝可大大縮短施工周期，縮短交通恢復(fù)期限；鋁合金回收能耗僅電解鋁的5%，可循環(huán)再次利用率大，回收率可達(dá)到90%以上（是鋼材回收率的5倍以上），基本和鋁錠價(jià)格差異不大，是典型的綠色環(huán)保材料。

2.2 鋁合金在城市人行天橋的優(yōu)勢(shì)

鋁合金人行天橋的主要特性可概括為三個(gè)字——“高、輕、亮”。“高”是指鋁合金人行天橋科技含量高；“輕”是指鋁合金人行天橋結(jié)構(gòu)輕巧，重量輕盈；“亮”是指鋁合金人行天橋視覺觀感亮麗。“高、輕、亮”的鋁合金人行天橋既滿足了城市便捷通行的需求，也在一定程度上能體現(xiàn)一座城市的科技與景觀。概括而言鋁合金人行天橋主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）工廠化制作，場(chǎng)外拼裝，不產(chǎn)生建筑垃圾；（2）吊裝時(shí)間縮短，不需要長時(shí)間封路、設(shè)路障，對(duì)道路交通的影響降低；（3）結(jié)構(gòu)自重減輕，降低了基礎(chǔ)費(fèi)用和對(duì)地質(zhì)條件的要求。

3 鋁合金在橋梁中的應(yīng)用與發(fā)展概況

3.1 國外鋁合金橋梁的應(yīng)用與發(fā)展

全球首個(gè)鋁合金在橋梁工程中的應(yīng)用實(shí)例為既有橋梁橋面板更換[1]。1933年，美國鋁業(yè)公司為了減輕史密斯菲爾德街橋的靜荷載，用鋁合金橋面板替代了破損的鋼板和木板，該面板合金狀態(tài)為2014-T6，服役時(shí)間長達(dá)34年。1946年，世界上第一座全鋁合金結(jié)構(gòu)的橋梁在美國紐約建成。此后，北美相繼修建了一批鋁合金橋梁，1946-1963年間，共建造9座鋁合金橋梁，其中8座目前仍在使用。

1949年，加拿大在魁北克省阿爾維達(dá)塞右奈河上建成一座單跨跨徑達(dá)90m的鋁合金橋，該橋橋墩高約15m，整個(gè)結(jié)構(gòu)由2014-T6鋁合金制成，錨栓連接，總質(zhì)量163t。是世界上第一座全鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁，與原計(jì)劃修建的鋼橋相比，重量減輕約56%[2]。

20世紀(jì)50年代至70年代的歐洲，在鋼價(jià)及鋼橋維護(hù)費(fèi)用雙項(xiàng)連續(xù)上漲的促使下，鋁合金因其強(qiáng)重比高、耐腐蝕、維護(hù)費(fèi)用低及可循環(huán)利用等特點(diǎn)取代剛才一躍進(jìn)入歐洲橋梁市場(chǎng)，并得到了快速發(fā)展。自1949年英國薩瑟蘭郡橋建成后，歐洲各國開始將鋁合金廣泛應(yīng)用于橋梁面板和主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件。1949年-1985年，英國建造了30多座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁。1950年-1970年期間，德國共建造鋁合金橋梁20座，包括人行橋和公路橋，1其中964年，英國在梅德斯通修建跨越Medway河的人行鋁橋（懸索橋），跨徑180m，該橋榮獲多項(xiàng)歐洲設(shè)計(jì)獎(jiǎng)項(xiàng)。

法國在20世紀(jì)70年代初期，修建了2座公路鋁橋，第一座位于蒙梅勒，第二座位于格羅萊，跨越羅訥河[2]。1998年意大利借鑒法國兩座橋改建的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)二戰(zhàn)中受損嚴(yán)重的雷亞爾·費(fèi)迪南多懸索橋進(jìn)行了翻新，縱梁采用7020T6型鋁合金，橫梁采用6060T6型鋁合金，目前該橋仍在正常運(yùn)營。

荷蘭分別于1999年、2003年在海爾蒙德和阿姆斯特丹建成一種別具風(fēng)格的開啟式橋，這兩座橋分別于1999年和2003年獲得“歐洲鋁結(jié)構(gòu)獎(jiǎng)”。在此基礎(chǔ)上，荷蘭為了研究運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)新方法，設(shè)計(jì)建造了一座單車道漂浮式公路浮橋，設(shè)計(jì)車輛最大通行速度為80km/h[2]。

3.2 國內(nèi)鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展概況

隨著對(duì)鋁合金材料性能認(rèn)識(shí)的逐步深入，我國開始關(guān)注鋁合金橋梁的應(yīng)用。但是目前，主要集中在人行天橋上，還有少量的鋁合金橋面板的應(yīng)用。

2006年，杭州市政府率先與德國公司合作，建成了中國第一座鋁合金橋——杭州市慶春路鋁合金人行天橋，拉開了我國設(shè)計(jì)建設(shè)鋁合金橋梁的序幕。

2007年9月29日國內(nèi)首座完全自主設(shè)計(jì)、自行生產(chǎn)、自行建造的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁-上海徐家匯人行天橋工程在徐家匯漕溪北路投入運(yùn)行。

2008年7月，作為北京市迎奧運(yùn)重點(diǎn)工程的西單商業(yè)區(qū)人行天橋工程投入試運(yùn)行，鋁合金上部結(jié)構(gòu)為外資公司承建，主要鋁合金型材（6082-T6鋁合金型材）均為國內(nèi)生產(chǎn)，鋁合金步道板等附件從國外進(jìn)口，為6005-T6鋁合金。該橋建設(shè)的同時(shí)，制訂JQB-198-2008《北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋工程鋁合金上部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（北京市建設(shè)委員會(huì)備案），為今后鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁施工驗(yàn)收提供了寶貴借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2011年12月福建省龍巖市在向杭州、上海、北京等地取經(jīng)的基礎(chǔ)上，斥資500余萬在人民路西安居委會(huì)大門西側(cè)，修建了一座“工”字形人行天橋，主橋梁長近50米，橫跨機(jī)動(dòng)車雙向六車道。

2013年3月，由山東叢林集團(tuán)設(shè)計(jì)、制造的杭州市新解百鋁合金天橋建成通過驗(yàn)收并投入使用。新解百天橋?yàn)椤翱凇弊中未罂缍蠕X合金天橋，總長217.55m，寬4.8m，重226t，可滿足4000余人同時(shí)通行。

此外，在福建龍巖以及廣西南寧等城市也相繼設(shè)計(jì)建造了鋁合金人行天橋。2014年，南南鋁工程有限責(zé)任公司組成了一個(gè)項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)新型大規(guī)格高性能鋁合金材料應(yīng)用領(lǐng)域，研究將其應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)鋁合金人行天橋產(chǎn)品，爭取3年內(nèi)在南寧市建造20座鋁合金人行天橋，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值1億元，目前已經(jīng)已建成2座，得到了廣大市民的認(rèn)可。

4 結(jié)論與建議

鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在國外已經(jīng)有了各種各樣的應(yīng)用實(shí)例，并且制定了相關(guān)的規(guī)范。而國內(nèi)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的研究相對(duì)較少，并沒有制定專業(yè)的規(guī)范，這很大程度上制約了鋁合金橋梁在國內(nèi)的發(fā)展。

但是我國北京、上海、杭州、南寧等地陸續(xù)建設(shè)鋁合金人行天橋，并相繼投入運(yùn)營。在設(shè)計(jì)及建設(shè)過程中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并編寫了JQB-198-2008《北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋工程鋁合金上部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可為后續(xù)發(fā)展鋁合金人行天橋提供一定的技術(shù)支持。

我國目前已具備發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的基礎(chǔ)條件，發(fā)展符合我國國情的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁對(duì)優(yōu)化建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)業(yè)整體水平、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等均具有重大意義。可以預(yù)測(cè)，鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在我國必將得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：錢慧（1985-），女，漢族，甘肅省天水市人，甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，工程師，碩士研究生，研究方向：鋼橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁。