铝合金材料在桥梁中的应用研究

刘光辉(山西路桥第二工程有限责任公司)

铝合金材料在桥梁中的应用研究

刘光辉(山西路桥第二工程有限责任公司)

铝合金材料在桥梁当中应用的加强，主要是由于我国金属冶炼技术的提高以及铝合金材料性能的提高。铝合金材料虽成本较高，但其具有强度—重量比高、易于装配、耐久性好、养护费用低的优点，具有良好的应用前景。在分析总结国内外已建的铝合金桥梁的结构和使用情况的基础上，对其应用优缺点及性能予以研究，并指出其存在的问题和展望，对提高其产业整体水平具有重要意义。

铝合金桥梁;发展现状;应用特性

1 引言

钢材作为土木工程应用较为广泛的材料之一，但钢桥长期为因其耐腐蚀性差而引起的耐久性问题所困扰，开发新型材料对桥梁的发展具有重要的理论和实践意义。相对而言，铝材因具有重量轻、耐久性好、易于养护和容易加工及含量丰富等诸多优点而备受关注。且随着金属铝冶炼技术和材料性能的不断提高及科学研究的不断深入，铝材在世界范围内尤其是发达国家得到广泛应用。在桥梁工程中，其不仅用于栏杆、防护栏、桥面板等局部受力构件的附属构造外，亦先后出现了铝结构桥、铝穹顶及网架结构。铝合金桥梁在国内外发展状况铝合金材料在桥梁建设的应用已有将近80年历史，在欧美国家出现较早，相应的设计和施工规范亦较完善。1934年世界最早的铝合金桥梁诞生，这就是美国匹兹堡的Smithfield桥。Smithfield桥利用铝合金作为桥面，以此用来承受汽车与电车的重量，这是Smithfield桥最大的特点，而无须加固既有桥梁的基础和基本桥跨结构，这种桥的建立最大的有点就是铝合金作为了桥的主要建筑材料。自Smithfield桥建成之后的几年间，利用铝合金进行建造桥梁的工程越来越少，发展的也相对比较的缓慢，一直到了1946年美国在Massena建成第一座全铝合金材料的桥梁。该桥是一座总长为153 m的七跨连续梁桥，其上部结构由混凝土桥面板与铝主梁组成。在1946年至1962年这八年时间里，国外一些桥梁建造公司充分的利用铝合金主要优点——材料轻，建造了相当多的一批铝合金材质的桥梁，而这些桥梁大都是升降桥以及旋转桥。近十年来，为发挥铝合金材料的优越性，一些大型的工程，如:重载的石油平台通道桥梁以及轻载的海边步行桥建设上，都比较的广泛的运用到了铝合金材料，其亦广泛用于军事桥、人行桥等，且随着的应用范围的扩大，欧美国家业已制定了相应的设计及施工规范。国内铝合金桥梁起步较晚，于2007年在杭州庆春路建成我国第一座铝合金人行天桥，之后在北京、上海、南宁等地相继建造十余座。挤压型性能是铝合金材料主要构件，而且铝合金的截面形状相当复杂，在设计其机构时要对铝合金的材料特性要去考虑，对弹性模量、非线性应力应变关系以及焊接热效应材料强度低的重点去考虑。

(1)表1所表示就是铝合金力学性能与强度钢以及低碳钢的异同。从表中能得出强度钢与铝合金之间有着相同的强度，远高于低碳钢，但其弹性模量较低，这样很容易发生因为弹性变化造成的局部的弯曲。于此之外，铝合金还有着很好的负温工作性能，铝合金的这种性能在温度低的情况下本身的强度与延性都有所提高，但是其对于高温耐性相当的差。其应力-应变曲线同钢筋相似，具有明显的线弹性阶段，不同之处是当应力接近屈服强度时，其弹性模量急剧降低，但没有出现类似低碳钢的屈服平台而直接进入强化阶段。

表1 铝合金与钢材性能差异

(2)紧固件以及焊缝是铝合金的连接以及焊接性能的主要这两种。螺旋式连接与铆钉连接是紧固件的主要两种方式。而采用铝铝铆钉铆接，并不是采用非钢铆钉，就是为了不同的金属在潮湿的环境下进行的电化腐蚀。MIG焊接方式与TIG焊接方式是铝合金比较常用的两种方式，而这其中MIG焊接方式对于热输入要求比较低，而且能量也比较的集中，非常有利于提高焊接接头性能。为考虑焊接时因热影响区作用在焊缝附近强度将有所降低的因素，设计时在焊缝连接和承载力计算中应分别对强度和界面予以折减，而且伴随着焊接技术的不断发展与提高，以前出现的一些问题也都得以解决。运用氦-氩相互混合对铝合金厚板的焊接可以很好的保护气体，以此基础上对焊缝熔深与生产效率都能去改善与提高。再有一点就是在焊接顺序上应该保证焊接热量能够分布均匀。

(3)铝合金的稳定性能;产生侧向弯曲或者失稳是由于铝合金与钢受弯造成的，尤其因弹性模量较低而局部稳定问题较为突出。挤压型才是铝合金构件的主要特点，而且铝合金的截面形状也是相当的复杂多样的，所以截面中心与整体的形状并不重合，当桥梁产生扭矩时，那就是因为横向荷载作用于剪切中心附近造成的，°虽然焊接残余应力对焊接铝合金手腕构件的弯曲有着一定的影响，但是与构件的长度并没有关系，所以在计算其整体稳定问题时必须考虑焊接残余应力和热影响区效应。

2 铝合金材料的优缺点及其展望

(1)优点相对于钢材或者混凝土等材料，铝合金具有如下优点:密度小，重量轻，比强度高。强度大概与低碳钢相当，但比强度远高于后者，既减轻桥梁上部结构重量，增大跨径能力;又对基础要求低，减小下部结构的承受荷载建，并降低其造价。同时在用于桥梁的维修加固时可提高承受活荷的比例，且较大构件可先在工厂预制而且现场运输与安装趋于简单和便宜。当用于活动或可移动桥梁时，因能降低对机械设备的要求而具有独特的优势，如战备桥梁抗腐蚀的性能好，受雨水及道路盐分影响较小。铝合金在大气作用下表面能够自然形成致密的Al2O3氧化膜，从而有效提高其耐腐性，极大地降低后期的维护费用。在钢筋混凝土桥面板和铝合金构件的组合结构中，由于铝合金材料的热膨胀系数(22×10-6)大于前者，在寒冷的环境下其较大的收缩可使混凝土中产生的微裂缝趋于封闭，避免了水分和氯化物侵入，对钢筋起到良好的保护作用。高韧性，抗低塑断裂，良好的低温性能。随着温度的较低，铝合金的强度反而有所增加而无低温脆性问题，适合用于建造严寒地区的桥梁。可挤压性能强可挤压性强，易于加工成为各种复杂的断面及空心型材，且具有特殊的光泽与质感可获得良好的观感，满足结构的不同需要。回收性强易于回收，再处理成本低，回收利用价值比较高，再利用率高，有利于保护环境，符合可持续发展的要求。

(2)缺点当铝合金材料用于桥梁建设时，亦存在许多不足。相对而言，其也有价格较高，振动频率的变化幅度大，弹性模量低，热膨胀系数大，耐高温性能差，挠度大等缺点，在使用时必须充分考虑，合理设计，加以避免。

(3)展望发展铝合金桥梁能够消化铝合金结构过剩产能，对企业的创新能力也得到了加强，对一些周边的产业的发展也得到了促进。具有广阔的应用前景。我国目前业已具备发展铝合金结构桥梁的基础条件，因此相关部门对于国外的一些先进经验应该充分的借鉴，以此基础之上，对于制定与完善我国的专业规范和标准，于此同时与铝型材制造商等进行联合，加快推进铝合金结构桥梁在我国的应用和发展。

3 结语

新型铝合金一种新型材料，将其应用于桥梁建设，并且充分的展现出显出可持续发展优势，并将桥梁的全服役期维护降低到最少。国外建设已经具有一定的经验，而国内现下还处于研究探索的阶段，但是对于铝合金结构的桥梁建设也具备了建造的条件。随着铝合金材料的发展以及相关研究的深入，可以预测铝合金结构桥梁今后在我国必将得到广泛应用和发展。

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［2］姚常华，杨建国，吴利权.铝合金结构桥梁的应用现状、前景及发展建议［J］.钢结构，2009，(7).

［3］王斐峰，王琨.铝合金桥梁发展的研究与探讨［J］.铁道工程学报，2009，(9):27-29.

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