鋁型材在橋梁上的應(yīng)用，國內(nèi)外已有近400個工程實例，包括公路橋、懸索橋、跨河橋等。其應(yīng)用由最開始的橋面板發(fā)展到主梁等主要構(gòu)件。本文通過介紹國內(nèi)外典型鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁實例，分析鋁合金的性能特點，對其在橋梁上應(yīng)用的可行性給予了驗證和肯定。隨后簡單介紹了鋁型材在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及研究情況，最后對鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展前景進行了展望，提出了國內(nèi)發(fā)展鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁急需做出的對策。
1. 國內(nèi)外鋁合金橋梁工程實例
1.1 鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在國外的興起與應(yīng)用
美國匹茲堡史密斯菲爾德區(qū)一座跨河橋的鋁合金橋面板，是世界上首個鋁合金在橋梁上的應(yīng)用實例（如圖1所示）。1933年美國鋁業(yè)公司為了減輕現(xiàn)役橋梁的靜載荷，用鋁合金面板替代了破損的鋼板和木板。該面板合金狀態(tài)為2014-T6，服役時間長達34年。但由于該合金與鋼一樣，耐蝕性較差，于是在1966年美鋁公司又更換了耐蝕性更強的5系和6061-T6擠壓型材組合的面板。出乎意料的是該面板僅服役了26年，就被再一次更換為局部填充鋼的面板。經(jīng)Reynolds金屬公司的相關(guān)專家分析，1966年更換的鋁合金面板表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐蝕性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但鋼、鋁合金及混凝土三者接觸的部位出現(xiàn)了明顯的腐蝕。雖然這些腐蝕部位沒有影響到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但仍需要采取有效的措施避免腐蝕，延長其壽命。
1949年，加拿大在魁北克省阿爾維達（Arvida）建成了一座跨越塞右奈河，單跨跨徑達88.4 m的鉚接鋁拱橋，見圖l。該橋是世界上第一座全鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁。該橋橋墩高約15 m，2個車行道。所用的鋁合金為2014-T6，總重163 t。與原計劃修建的鋼橋相比，重量減輕約56％[1]。
鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在歐洲的應(yīng)用也逐漸興起，據(jù)相關(guān)資料顯示，自1949年英國薩色蘭郡橋建造后，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)件部位。1949- 1985年，英國建造了約35座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁。1950-1970年，德國建造了約20座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁。1955-2000年荷蘭先后開發(fā)建造了6座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁。在此期間，荷蘭為支持對鋁橋的研究和促進鋁橋的應(yīng)用，3年內(nèi)完成了名為“鋁橋”的工業(yè)項目，該項目計劃包括鋁材生產(chǎn)商、承包方、設(shè)計方、官方、建筑方和研究機構(gòu)。該項目主要針對開啟橋、新建居民區(qū)橋、公路橋面板、延長現(xiàn)有橋方面做出了研究和拓展，為后期鋁結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用提供了經(jīng)驗[1]。
目前而言，在歐洲等國家，鋁合金在橋面板上的應(yīng)用較為廣泛。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，在歐洲約70多座橋梁使用瑞典開發(fā)的“50系列”或“100系列”面板型材，該類型材的斷面和工程實例如圖3和圖4所示。
1.2 鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在國內(nèi)的應(yīng)用
目前，國內(nèi)鋁合金在橋梁上的應(yīng)用十分有限，主要集中在人行天橋等承重較小的橋梁上，還有少量鋁合金面板的應(yīng)用。國內(nèi)第一座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁是2007年建造的杭州市慶春路人行天橋，該橋由德國橋梁工程師設(shè)計、安裝，所有橋梁結(jié)構(gòu)的鋁合金材料全部由德國進口，該鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的建造是為后續(xù)我國自主設(shè)計和修建鋁合金橋梁做準(zhǔn)備[2]。
同年建造的上海徐家匯人行天橋工程是國內(nèi)首座完全自主設(shè)計、自行生產(chǎn)、自行建造的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁。該橋總工期僅37 天，主材為6061-T6鋁合金，單跨23 m，寬度6 m，主橋高2.6 m，橋凈高4.6 m，其自重僅15t，最大載質(zhì)量可以達到50t。
為迎接奧運會，我國于2008年建造了北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋，該橋的鋁合金上部結(jié)構(gòu)為外資公司承建，主要鋁合金為國產(chǎn)6082-T6型材，鋁合金步道板等附件從國外進口，為6005-T6鋁合金。該橋建立的同時，制訂了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)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》，為今后鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁施工驗收提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。
杭州新解百“口”字形鋁合金人行天橋是我國首座自行設(shè)計、建造的大跨度鋁合金橋梁，該橋梁由杭州市城建設(shè)計研究院和山東叢林集團合作研發(fā)而成（見圖5）。該橋總長217.55m，寬4.8m，重226t，可滿足4000余人同時通行，所有鋁合金主要為6082-T6型材。該橋分為4個主桁架、4個過渡桁架，組成一座閉合環(huán)形人行天橋，其中A桁架長53m，B桁架長44m，C桁架長44m，D桁架42m。
天津市蚌埠海河橋橋面板采用了鋁合金型材。該橋全長192m，其人行道面板采用的是6005-T5鋁合金型材，標(biāo)準(zhǔn)面板長5m、寬0.25m，由27mm厚的上部翼緣板和3mm 厚且底部帶有加強的馬蹄形構(gòu)造的肋板組成。在該橋鋁合金面板安裝使用前，為確保鋁合金滿足設(shè)計要求，對型材的進行了以下試驗：材性試驗、靜載試驗、振動特性試驗、沖擊荷載實驗、疲勞試驗、耐磨試驗[3]、耐腐蝕試驗[4]。試驗結(jié)果表明，該鋁合金型材面板能夠達到設(shè)計要求。
除以上人行天橋和拱橋外，鋁合金還在其他結(jié)構(gòu)形式的橋梁上有了不同程度的應(yīng)用，如連續(xù)箱梁橋、桁架橋、懸索橋、高架橋、活動橋、浮橋、軍用鋁橋等[5]。上述鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在國內(nèi)外的應(yīng)用實例，進一步印證了鋁合金在橋梁上應(yīng)用的可行性，同時也可以看出國內(nèi)外的差距，為國內(nèi)鋁合金橋梁的發(fā)展確立了追趕和發(fā)展方向dalilvcai.com。
2.鋁合金的性能特點
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，針對性能方面的優(yōu)勢，很多學(xué)者也進行了總結(jié)[6, 7]。正確認(rèn)識鋁合金的性能特點不但能夠認(rèn)清其在橋梁上得到廣泛應(yīng)用的原因，而且能夠為鋁合金橋梁的設(shè)計給予幫助。通過參考相關(guān)資料，本文在此對鋁合金的優(yōu)良特性做進一步的闡述，以期對鋁合金能有更加全面的認(rèn)識和理解。
2.1 物理、化學(xué)、力學(xué)性能
?。?）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(fù)載能力。
?。?）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)計使用中必須注意熱脹冷縮帶來的尺寸影響。
?。?）耐蝕性：鋁合金能夠在自然條件下形成氧化膜，對內(nèi)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(jù)有關(guān)文獻報道，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[8]。
?。?）強度：與低碳結(jié)構(gòu)鋼相比，常用5系和6系鋁合金的抗拉強度和屈服強度在110 - 350MPa間，力學(xué)性能可觀，而且隨著技術(shù)水平的提高，更高強度鋁合金材料的研發(fā)成為可能。
（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(qū)力學(xué)性能保持或提高。
?。?）疲勞性能：鋁合金的疲勞強度低于鋼，最初設(shè)計規(guī)定為鋼疲勞強度的1/3，但鋁合金可通過擠壓加工實現(xiàn)整體成形，避免焊接導(dǎo)致的疲勞強度降低，而且可使局部壁厚增大，從而降低應(yīng)力的影響。
?。?）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，這一特點使其在某些低溫環(huán)境下應(yīng)用非常有優(yōu)勢。
2.2 經(jīng)濟性、環(huán)境影響特性
鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁造價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，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(tǒng)鋼或混凝土結(jié)構(gòu)橋梁費用持平或略低。
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(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(huán)保材料。
3.鋁型材在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及研究
3.1 主結(jié)構(gòu)件
鋁型材在橋梁主結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用主要包括橋面板、縱梁、桁架等，組裝方式有鉚接、焊接。其中，應(yīng)用最為廣泛的是鋁橋面板，其常見截面圖見圖3。由于鋁型材面板具有質(zhì)量輕、可設(shè)計性強、設(shè)計簡潔、安裝工期短等優(yōu)點，自開發(fā)以來，在歐洲等地區(qū)得到廣泛的研究和應(yīng)用，近幾年在國內(nèi)也對其進行了部分研究和應(yīng)用。隨著研究的不斷深入和應(yīng)用推廣，鋁橋面板系列將更加完善，各項技術(shù)將更加成熟。
國外對鋁橋面板型材的研究較為全面，研究單位主要是高校和大型公司。比如美國肯塔基大學(xué)和科羅拉多大學(xué)，瑞典斯德哥爾摩大學(xué)，雷諾茲金屬公司等。2006年，由于美國肯塔基KY 974橋的縱梁腐蝕嚴(yán)重、混凝土橋面破裂等問題，需要進行維修。在肯塔基大學(xué)和肯塔基運輸中心的合作下，主要對該橋的部分鋼結(jié)構(gòu)縱梁進行了更換，用鋁橋面板替換了破損的混凝土結(jié)構(gòu)橋面。
由于對鋁材料缺乏認(rèn)識和設(shè)計規(guī)范，而且沒有現(xiàn)場載荷試驗和焊接、連接經(jīng)驗。因此，現(xiàn)場鋁橋面板的性能表現(xiàn)分析十分重要。為解決這一問題，肯塔基大學(xué)研究者對該橋鋁面板在靜載荷下應(yīng)力及垂直偏轉(zhuǎn)度進行了研究[9]，主要通過三維建模和有限元模擬進行，圖7所示為模型網(wǎng)格化分后的截圖。由于面板型材合金狀態(tài)為6005-T6，其材料性能參數(shù)按照EN 1999-1-1標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)參數(shù)執(zhí)行。對模型施加的載荷主要包括垂直方向動態(tài)載荷、水平方向動態(tài)載荷及恒載，載荷數(shù)值、動態(tài)因子等參數(shù)根據(jù)高速公路規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，恒載包括面板、隔離層、瀝青層等的自重。模擬中設(shè)定了兩種載荷加載方式，并分別加載進行了模擬。
有限元模擬結(jié)果表明，將AASHTO HS20-44卡車142.3KN載荷施加到模型上，母材和焊合影響區(qū)附近所受最大應(yīng)力分別為132 MPa和72 MPa，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范設(shè)計要求計算的母材和焊合影響區(qū)附近設(shè)計強度分別為195 MPa和92 MPa。因此，該鋁橋面板在兩種加載方式下最大應(yīng)力低于設(shè)計強度，滿足強度要求。
圖8所示為有限元模擬的卡車負(fù)載下，鋁橋面板型材的垂直偏轉(zhuǎn)情況。圖8上半部分為輪胎與面板截面中間部位的接觸處，偏轉(zhuǎn)度為1.18mm，圖8下半部分為輪胎與面板截面邊緣部分的接觸處，偏轉(zhuǎn)度1.33mm，偏轉(zhuǎn)度均小于根據(jù)AASHTO LRFD橋梁設(shè)計規(guī)范商定的1.35mm，符合要求。
雷諾茲金屬公司在鋁橋面板的高耐蝕性、低密度、短工期等方面優(yōu)勢的吸引下，決定開發(fā)自己的鋁橋面板系列[10]。弗吉尼亞交通中心其中有個項目由于該公司鋁橋面板生產(chǎn)問題受到了推遲，當(dāng)?shù)亟煌ㄑ芯课瘑T會為解決這一問題，對該系列鋁橋面板進行了大量的研究，主要包括三部分：對橋面板進行靜態(tài)響應(yīng)測試，包括7個正常負(fù)載測試和2個極限負(fù)載測試；建造橋梁的現(xiàn)場評價；面板系統(tǒng)的疲勞強度和表面耐磨壽命。
國內(nèi)李吉勤[4]等人，對天津市蚌埠橋鋁橋面板的耐磨性、耐蝕性及壽命進行了實驗性研究。他們使用材料科學(xué)研究中通用的金屬耐磨性測試方法，對鋁橋面板（人行通道）的耐磨性進行了準(zhǔn)確的測試，并根據(jù)防滑紋的磨損情況對鋁橋面板的使用壽命進行了預(yù)測，即1mm厚防滑紋可使其具有15年的耐磨壽命。耐蝕性結(jié)果表明，鋁橋面板在PH值為4.0-6.0酸性溶液中抗腐蝕性良好，在PH值為4.5的混合鹽溶液中抗腐蝕性較差，但仍需30年之久才能將厚度為1mm的防滑紋腐蝕掉，表現(xiàn)出了極強的耐蝕性。此外，還對腐蝕形貌進行了微觀觀察，腐蝕以點蝕為主，而且新氧化膜的不斷出現(xiàn)大大延緩了其腐蝕速率。
辛亞兵[11]等人對國內(nèi)外鋁合金橋及應(yīng)用情況做了大量詳細(xì)的調(diào)研，并根據(jù)調(diào)研結(jié)果、拓?fù)浞治?，綜合我國擠壓型材生產(chǎn)能力等因素，設(shè)計了兩種鋁合金鋁橋面板斷面。通過靜載分析，ANSYS有限元軟件模擬等手段對斷面進行了精細(xì)優(yōu)化分析。以一鋁合金材料簡支桁架橋為例，對橋的剛度、自振頻率和穩(wěn)定性進行了有限元模擬，與試驗結(jié)果相吻合。將設(shè)計分析的鋁合金面板更換到模擬的桁架橋上，模擬得到的剛度、自振頻率和穩(wěn)定性均能滿足要求dalilvcai.com。
3.2 輔助結(jié)構(gòu)件
鋁型材用于橋梁上的輔助結(jié)構(gòu)件主要包括：在原有橋上增加的人行或自行車通道結(jié)構(gòu)件，橋欄桿、路標(biāo)支架、路標(biāo)牌、照明燈支撐桿等，圖9所示為MAADI集團某報告中制作的在該方面應(yīng)用的示意圖[12]。
鋁型材能夠用于這些部件，主要是考慮到其良好的耐蝕性、低密度、美觀等優(yōu)點。國外已有相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如加拿大高速路橋設(shè)計規(guī)范（CAN/CSA-S6-06）中包含照明用鋁型材及欄桿鋁型材的設(shè)計要求。而且在國外也有許多應(yīng)用實例，如2009年薩帕公司在荷蘭北布拉邦省就完成過一項高附加值的鋁型材燈柱項目，其低維護費用、出色的防撞性能、可循環(huán)利用性和美觀性得到了當(dāng)?shù)氐缆饭芾砭值母叨仍u價。
4. 鋁型材在橋梁上的應(yīng)用前景
鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁自在國外興起以來，得到了較為廣泛的推廣、研究和應(yīng)用，其應(yīng)用在國外已趨于成熟。其廣闊的發(fā)展前景可以從以下幾點理解：
?。?）傳統(tǒng)觀念的更正：有研究對比了鋁橋、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁的造價、維護費用、使用壽命、環(huán)境影響等因素，而且越來越多的工程實例也證實了鋁合金的高造價金額可通過后期低維護費用等加以彌補[12, 13]。同時，也使國內(nèi)外橋梁工程師對鋁合金和鋁型材的認(rèn)識越來越深入。
?。?）標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：國內(nèi)外有關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范正在不斷建立和完善中。國外的鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范較多[12]，而且更新也比較及時，如加拿大CSA-S157、歐洲規(guī)范“鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計”、美國的鋁合金設(shè)計手冊。鋁橋設(shè)計規(guī)范包括：美國的AASHTO高速公路橋設(shè)計規(guī)范、加拿大高速公路橋設(shè)計規(guī)范（CAN/CSA-S6）等。國內(nèi)雖然對鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究較晚，但發(fā)展也比較迅速，目前有《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50429-2007）、上海市《鋁合金格構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》等。
?。?）技術(shù)、合金及其性能研究：國內(nèi)外對鋁橋面板的研究已經(jīng)較為成熟，而且應(yīng)用也較為廣泛。不斷提高的材料研發(fā)水平，也為研發(fā)滿足不同性能要求的新合金提供了技術(shù)保證。自20世紀(jì)末興起的攪拌摩擦焊也為鋁型材的性能保持提供了技術(shù)支持，為鋁型材在鋁橋面板、船舶甲板等方面的應(yīng)用成為可能。在國內(nèi)，2012年政府相繼出臺了《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、《有色金屬工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《鋁工業(yè)“十二五”發(fā)展專項規(guī)劃》，三個文件中要求到2015年，關(guān)鍵新合金品種開發(fā)取得重大突破。
?。?）鋁擠壓行業(yè)的快速發(fā)展：由于鋁型材的眾多優(yōu)點，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，涉及航空航天、軌道交通、汽車、船舶、門窗幕墻等各領(lǐng)域。國外鋁型材加工在工業(yè)方面發(fā)展迅速，產(chǎn)品種類較多。而國內(nèi)雖然也用于世界頂尖的擠壓設(shè)備，但由于發(fā)展模式限制等因素，主要側(cè)重門窗幕墻型材。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國工業(yè)鋁型材占鋁型材總應(yīng)用量僅約30%；而同期歐洲、北美和日本的鋁型材消費結(jié)構(gòu)中，工業(yè)耗用比例分別達到為60%、55%和40%。但未來幾年內(nèi)，在市場主導(dǎo)和政府引導(dǎo)的共同作用下，將逐步向工業(yè)型材轉(zhuǎn)型。
此外，鋁型材本身擁有的眾多特性也將成為其在橋梁上廣泛應(yīng)用的重要砝碼。為了緩解國內(nèi)越來越引人關(guān)注的交通壓力，同時滿足地鐵建設(shè)要求的低地上壓力的要求，更多的鋁合金人行天橋、鋁合金公路橋?qū)辉O(shè)計使用。綜上所述，從限制鋁型材在橋梁上應(yīng)用的幾點分析，人們對鋁合金的認(rèn)識越來越深入，鋁合金及鋁橋設(shè)計規(guī)范不斷完善，新材料、新合金、新技術(shù)發(fā)展迅速，鋁合金擠壓技術(shù)不斷升級，國家政策的大力支持，這些都將為鋁型材在橋梁上的應(yīng)用推波助瀾，為其廣闊的發(fā)展前景提供保障。
5. 結(jié)束語
雖然鋁型材在橋梁上的應(yīng)用前景廣闊，但其發(fā)展需要一定的時間，這期間需要國家、鋁加工行業(yè)、高校及研究院所的共同努力。
通過介紹典型的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁工程實例，對鋁型材在橋梁上的應(yīng)用可行性和可靠性給予了充分肯定。同時，筆者結(jié)合部分研究論文的報道，對鋁合金的性能特點進行了全面分析。此外，文中還依照鋁型材在橋梁上的應(yīng)用部位，綜述了國內(nèi)外在該方面的研究現(xiàn)狀。通過對鋁型材在橋梁上應(yīng)用阻礙的剖析，對其應(yīng)用前景進行了展望，并提出了國內(nèi)鋁型材在橋梁上的應(yīng)用推廣需做的努力。
?。?）國家要落實支持新鋁合金研發(fā)和鋁型材發(fā)展的政策，組織鋁加工行業(yè)與橋梁設(shè)計院所及高校的交流與合作，不斷完善有關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和鋁橋設(shè)計規(guī)范。
?。?）與橋梁有關(guān)的高校和設(shè)計院所需要加強對鋁合金的教育，提高橋梁設(shè)計工程師對鋁橋的認(rèn)識，使用有限元模擬等軟件和先進研究手段加大對鋁橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、疲勞強度、自振頻率等進行研究；同時要加強與鋁加工與鋁擠壓企業(yè)的合作，共同開發(fā)面板、面板、桁架等型材的設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)。
?。?）與材料和鋁擠壓相關(guān)的高校和研究院所要加強與企業(yè)的合作，開發(fā)新材料、新合金、新技術(shù)，為鋁型材在橋梁上的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
