鋁合金在城市人行天橋中的應用

摘 要：鋁合金作為高性能建筑材料，具有密度小、強重比高、耐腐蝕、焊接性能好、易于裝配、維護費用低及可循環利用等諸多優點。在橋梁工程領域，國外已有不少成功的應用實例，對鋁合金橋梁設計與建造的相關技術與裝備已經成熟，而我國在鋁合金橋梁技術方面目前尚處于起步階段，且主要集中于城市人行天橋中。國內已經鋁合金人行天橋運行良好，得到了各界的認可，鋁合金結構橋梁在我國必將得到廣泛應用和發展。

關鍵詞：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，開發新型材料對橋梁的發展具有重要的理論和實踐意義。

鋁合金材料因為具有其強重比高、耐腐蝕、斷裂韌性和疲勞強度高、焊接性能好等諸多優點，在機械、航天、航空、船舶、汽車制造、軍工、包裝、電子和電力等領域得到廣泛應用。正是這些優點使得鋁合金成為一種新型的建筑材料，開始應用于土木結構當中。在歐美等國家，早在二十世紀三、四十年代鋁合金結構就被應用到橋梁的維修與建設中。在我國，鋁合金結構在杭州、上海、北京、南寧等城市人行天橋中被陸續采用，目前使用狀況良好。

2 鋁合金的性能特點及鋁合金人行天橋的優勢

2.1 鋁合金的性能特點

鋁合金之所以在橋梁中得到廣泛的應用，主要是其具有較多鋼和混凝土結構所不可匹敵的優點。

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

（2）耐蝕性：鋁合金能夠在自然條件下形成氧化膜，對內部材料形成保護，具有良好的耐蝕性，無需進行表面涂層防護，因此具有高的服役壽命和低的維護費用。據有關文獻報道，在高鹽含量與污染物環境下，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）強度：與低碳結構鋼相比，常用5系和6系鋁合金的抗拉強度和屈服強度在110-350MPa間，力學性能可觀，而且隨著技術水平的提高，更高強度鋁合金材料的研發成為可能。

（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-脆性轉變特性，這一特點使其在某些低溫環境下應用非常有優勢。

（5）焊接性能：與鋼相比，鋁合金焊合區力學性能損失較大，但通過優化焊接工藝和結構設計可進行有效地彌補，如攪拌摩擦焊能夠很好地將鋁合金進行焊接并使焊合區力學性能保持或提高。

（6）疲勞性能：鋁合金的疲勞強度低于鋼，最初設計規定為鋼疲勞強度的1/3，但鋁合金可通過擠壓加工實現整體成形，避免焊接導致的疲勞強度降低，而且可使局部壁厚增大，從而降低應力的影響。

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

×10-5/℃，約為鋼和混凝土結構的2倍，因此，在設計使用中必須注意熱脹冷縮帶來的尺寸影響。

（8）經濟性：鋁合金結構橋梁造價雖然約為鋼或混凝土結構橋梁的兩倍甚至更高，但其可加工性強，加工費用低，維護費用低，服役周期長（一般可達50年），總體費用算來，與傳統鋼或混凝土結構橋梁費用持平或略低。

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

2.2 鋁合金在城市人行天橋的優勢

鋁合金人行天橋的主要特性可概括為三個字——“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構輕巧，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勢：

（1）工廠化制作，場外拼裝，不產生建筑垃圾；（2）吊裝時間縮短，不需要長時間封路、設路障，對道路交通的影響降低；（3）結構自重減輕，降低了基礎費用和對地質條件的要求。

3 鋁合金在橋梁中的應用與發展概況

3.1 國外鋁合金橋梁的應用與發展

全球首個鋁合金在橋梁工程中的應用實例為既有橋梁橋面板更換[1]。1933年，美國鋁業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，該面板合金狀態為2014-T6，服役時間長達34年。1946年，世界上第一座全鋁合金結構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塞右奈河上建成一座單跨跨徑達90m的鋁合金橋，該橋橋墩高約15m，整個結構由2014-T6鋁合金制成，錨栓連接，總質量163t。是世界上第一座全鋁合金結構橋梁，與原計劃修建的鋼橋相比，重量減輕約56%[2]。

20世紀50年代至70年代的歐洲，在鋼價及鋼橋維護費用雙項連續上漲的促使下，鋁合金因其強重比高、耐腐蝕、維護費用低及可循環利用等特點取代剛才一躍進入歐洲橋梁市場，并得到了快速發展。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用于橋梁面板和主要結構構件。1949年-1985年，英國建造了30多座鋁合金結構橋梁。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，該橋榮獲多項歐洲設計獎項。

法國在20世紀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驗，對二戰中受損嚴重的雷亞爾·費迪南多懸索橋進行了翻新，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格的開啟式橋，這兩座橋分別于1999年和2003年獲得“歐洲鋁結構獎”。在此基礎上，荷蘭為了研究運輸基礎設施的創新方法，設計建造了一座單車道漂浮式公路浮橋，設計車輛最大通行速度為80km/h[2]。

3.2 國內鋁合金結構橋梁發展概況

隨著對鋁合金材料性能認識的逐步深入，我國開始關注鋁合金橋梁的應用。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，拉開了我國設計建設鋁合金橋梁的序幕。

2007年9月29日國內首座完全自主設計、自行生產、自行建造的鋁合金結構橋梁-上海徐家匯人行天橋工程在徐家匯漕溪北路投入運行。

2008年7月，作為北京市迎奧運重點工程的西單商業區人行天橋工程投入試運行，鋁合金上部結構為外資公司承建，主要鋁合金型材（6082-T6鋁合金型材）均為國內生產，鋁合金步道板等附件從國外進口，為6005-T6鋁合金。該橋建設的同時，制訂JQB-198-2008《北京市西單商業區人行天橋工程鋁合金上部結構施工質量驗收標準》（北京市建設委員會備案），為今后鋁合金結構橋梁施工驗收提供了寶貴借鑒經驗。

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

2013年3月，由山東叢林集團設計、制造的杭州市新解百鋁合金天橋建成通過驗收并投入使用。新解百天橋為“口”字形大跨度鋁合金天橋，總長217.55m，寬4.8m，重226t，可滿足4000余人同時通行。

此外，在福建龍巖以及廣西南寧等城市也相繼設計建造了鋁合金人行天橋。2014年，南南鋁工程有限責任公司組成了一個項目研究團隊，針對新型大規格高性能鋁合金材料應用領域，研究將其應用于承重結構領域的關鍵技術，開發鋁合金人行天橋產品，爭取3年內在南寧市建造20座鋁合金人行天橋，實現產值1億元，目前已經已建成2座，得到了廣大市民的認可。

4 結論與建議

鋁合金結構橋梁在國外已經有了各種各樣的應用實例，并且制定了相關的規范。而國內對鋁合金結構橋梁的研究相對較少，并沒有制定專業的規范，這很大程度上制約了鋁合金橋梁在國內的發展。

但是我國北京、上海、杭州、南寧等地陸續建設鋁合金人行天橋，并相繼投入運營。在設計及建設過程中積累了寶貴的經驗，并編寫了JQB-198-2008《北京市西單商業區人行天橋工程鋁合金上部結構施工質量驗收標準》等相關技術標準，可為后續發展鋁合金人行天橋提供一定的技術支持。

我國目前已具備發展鋁合金結構橋梁的基礎條件，發展符合我國國情的鋁合金結構橋梁對優化建筑業產業結構，提高產業整體水平、實現可持續發展等均具有重大意義。可以預測，鋁合金結構橋梁在我國必將得到廣泛應用和發展。

參考文獻

[1]GB50429-2007.中華人民共和國建設部.鋁合金結構設計規范[S].

[2]王春生，高珊.鋁合金橋梁的受力性能[J].世界橋梁，2008，3.

[3]陳寶春，楊亞林，孫潮.鋁橋的應用與發展[J].世界橋梁，2004，2.

[4]Tomasz Siwowski. Aluminum Bridge-Past，Present and Future[J].Structural Engineering International，SEI，2006，4.

[5]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.

作者簡介：錢慧（1985-），女，漢族，甘肅省天水市人，甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司，工程師，碩士研究生，研究方向：鋼橋及組合結構橋梁。