鋁材特別是擠壓鋁材在橋梁中的應(yīng)用已有相當長的歷史,但用量不大,發(fā)展速度也不快,原因之一是鋁合金的強度還不夠高,不能滿足公路、鐵路橋梁的要求,常用的6xxx系合金擠壓型材的抗拉強度Rm只有250N/mm2,亟需研發(fā)一批強度>650N/mm2的高強度的鋁合金,以滿足承重路橋特別是軍用浮橋建設(shè)的急需,高強度與高抗蝕性鋁合金擠壓型材對建造浮橋有著特別重要的作用,舟橋部隊是強大的解放軍的一支重要組成部分,現(xiàn)行的6xxx系合金的各項性能對建造過街人行天橋來說卻是綽綽有余;二是鋁的價格比鋼材的高,使橋的造價上升不少,在一定程度阻礙了鋁橋的發(fā)展.

    用擠壓鋁合金型材造橋優(yōu)點多多

    鋁合金擠壓型材是建造橋梁與浮橋的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料之一,尤其是對建造浮橋來說,在當前它是首選的材料,值得大力推廣,其基本優(yōu)點可歸納如下:

    密度低

    約為鋼的1/3,鋁合金的密度約為2.7g/cm3,而鋼的密度卻高達7.8g/cm3.

    6xxx系的強度性能可與低碳鋼的相當,因此比強度(強度質(zhì)量比)、比剛度(比彈性模量)遠超過鋼材的.

    抗腐蝕性能強

    對雨水、海水與道路鹽份、泥漿的腐蝕可忽略不計,特別是5xxx系合金,因此不但建造完后不用刷油漆,在服務(wù)期間也不需定期維護.筆者2013年訪問美國時,途經(jīng)匹茲堡市,順道造訪1933年建造的斯密斯菲爾德街橋(Smithfield Street Bridge),這是一座建在河上的可過車與行人的鋁結(jié)構(gòu)橋,已有84年之久,仍光彩奪目,熠熠生輝.

    韌性高

    抗疲勞裂紋擴展能力很強,又無低溫脆性.鋁合金的強度與塑性均隨著溫度的下降而同步上升,可是90%以上的鋼都有低溫脆性,所以鋁合金是高寒地區(qū)造橋的上乘材料,北歐建了不少鋁合金公路橋.

    可擠壓性能強

    這一點對于建造橋梁來說很重要,因為其可以生產(chǎn)設(shè)計師所需要的斷面復(fù)雜的空心型材,增大承受負載的能力,而不必進行昂貴的切削加工,還可以生產(chǎn)變斷面型材.中國不但是鋁擠壓大國,而且已躍居世界鋁擠壓初級強國,截至2016年,已擁有擠壓力≥45MN的大擠壓機135臺,其中225MN、230MN、250MN的特大超級重型擠壓機4臺,可生產(chǎn)別國不能生產(chǎn)的超級大型材,為建造鋁橋創(chuàng)造了極為有利的條件.同時還可以擠壓又長又寬的前所未有的空心型材,可使橋梁的用材塊數(shù)減至最少,而且由于摩擦攪拌焊的應(yīng)用,對于簡化制造工藝起了很大作用.由于大擠壓材的應(yīng)用與其質(zhì)量的相對較輕,可在工廠預(yù)制橋梁,有利于降低制造成本與運輸費用,縮短安裝時間,對交通影響大大減輕.

    可回收性強

    鋁是循環(huán)經(jīng)濟最佳的金屬材料之一,鋁合金橋梁在使用期間無腐蝕損失,幾乎全部回收,同時廢鋁能耗僅相當于原鋁提取能耗的5%,對資源的循環(huán)利用、節(jié)能減排有著重要意義,具有重大社會效益.

    鋁橋梁比鋼橋梁輕,有諸多不言而喻的優(yōu)點.首先,最重要的是可以減輕上部結(jié)構(gòu)的靜載荷,增加車輛裝載量,同時可以補償即抵消諸如鋼梁、電纜等對上部結(jié)構(gòu)與橋基的不利影響;對大跨度橋梁來說還有更重要的意義,就是能使橋梁的總負載下降;在地震區(qū)減輕橋的靜負載可以降低地震施加的側(cè)向力,這種側(cè)向力的大小與橋的靜載荷成比例.

    從橋的建造史上來說,混凝土橋是最便宜的,由于它的靜載荷大,在那些不適宜建造混凝土橋的地方,鋼橋就成為首選,橋面厚度200mm的混凝土靜負裝454kg/m2.鋼橋雖比混凝土橋輕不少,但造橋價卻高得多.建造這種鋼橋是一項艱辛的工作,是勞動密集型的,同時造價不菲.

    鋁合金橋面比鋼橋面輕得多,橋面板下的加強勁與板是一整體,一次擠壓而成.鋁合金橋面質(zhì)量一般為90.8kg/m2,比國際公路標準規(guī)定的承載能力高得多,因而鋁合金大擠壓材成為修整具有歷史意義橋梁的最具吸引力的材料,因為橋面靜貢載對這類橋梁至關(guān)重要.然而,鋁合金橋梁也有一些不足之處,不利于鋁合金材料在橋梁建造中的大面積推廣,主要問題是:

    原始成本高

    鋁橋的原始成本(最初投資)比其他材料高,通常根據(jù)對比材料的不同高25%——100%,但是鋁橋在造完后不需刷油漆,在以后的服役期間也不需要定期維護,因此若把維護費用也加以計算的話,則鋁橋在整個使用期間的總費用(投資與維護費之和)要低于鋼橋的,特別是在高寒地區(qū),需用耐寒的無低溫脆性的合金鋼.

    對鋁合金的認識不足

    無論是過去還是現(xiàn)在,無論是橋梁工程師還是廣大群眾,對鋼材都耳熟能詳,可是對鋁材在工程方面的應(yīng)用就不那么熟知了,因此,宜加強宣傳,不但要在學(xué)校培養(yǎng)人才方面提及鋁的應(yīng)用,而且有關(guān)傳媒應(yīng)在適當?shù)貐^(qū)與時間加強介紹,提高人們對鋁及鋁應(yīng)用的認知.

    零件的連接

    過去鋁橋是用鋁板制造的,采用螺接與鉚接連接零部件,上世紀90年代中期美國雷諾茲金屬公司(Reynolds Metals Co.,2005年被美國鋁業(yè)公司兼并)研制成功幾種擠壓橋梁鋁型材,主要是用焊接法連接.用螺接或常規(guī)焊接法連接的不足之處是,接頭的強度特別是疲勞強度比母材的低.后來,先進的摩擦攪拌法問世,為橋梁零部件的連接提供了優(yōu)秀的連接工藝,可以焊接鋁-鋁,也可焊接鋁-鋼,焊縫的強度幾乎與母材的相當.

    新型橋梁鋁材合金

    橋梁鋁材經(jīng)過85年的發(fā)展取得了重大進展,已從板材建造進入了以擠壓大空心鋁型材接焊橋體時代,現(xiàn)行的橋梁鋁材除傳統(tǒng)的6063、6061合金外,還有新研發(fā)的歐洲6082合金,1972年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊,成分(質(zhì)量%):0.7——7.3Si,0.05Fe,0.10Cu,0.40——0.10Mn,0.6——1.2Mg,0.25Cr,0.20Zn,0.10Ti,其他雜質(zhì)每個0.05、合計0.15,其余Al;美國的7005合金,1962年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊,成分(質(zhì)量%):0.35Si,0.40Fe,0.10Cu,0.20——0.70Mn,1.0——1.8Mg,0.06——0.20Cr,4.0——5.0Zn,0.01——0.06Ti,0.06——0.20Zr,其他雜質(zhì)每個0.05、合計0.15,其余Al;日本的7N01合金,其中N代表日本(Nippon),它的成分(質(zhì)量%):0.30Si,0.35Fe,0.20Cu,0.20——0.7Mn,1.0——2.0Mn,0.30Cr,4.0——5.0Zn,0.20Ti,0.10V,0.25Zr,其他雜質(zhì)每個0.05、合計0.15,其余Al;7N01是一個優(yōu)秀的可擠壓大型材的中高強度的鋁合金,它的物理性能:2.78g/cm3,液相線溫度620℃——650℃,線脹系數(shù)23.6×10-6/℃.

    新型鋁合金的研制成功,摩擦攪拌焊的問世,大擠壓機的建設(shè),為橋梁鋁材生產(chǎn)、橋梁建設(shè)創(chuàng)造了有利條件,在一定程度上降低了鋁橋的造價,對推廣鋁材在橋梁中的應(yīng)用相當有利.

    中國過街人行天橋的建設(shè)

    至2016年,鋁合金橋梁的建設(shè)已跨越84個春秋(1933——2017年),全世界已建成的鋁合金橋(公路橋、鐵路橋、過街人行橋)約390座,國外96%以上為公路橋,鐵路橋寥寥無幾,中國的僅有62座,全為過街人行橋.

    中國首座過街天橋——杭州慶春路中河橋

    該橋是中國首座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁,2007年3月25日21時竣工,是德國公司設(shè)計、制造與建設(shè)的,所用鋁材也是從德國進口的,主材為6082-T6鋁合金.整座橋由5大預(yù)制件組成,呈"工"字形,主跨長39m,重11t,其余輔橋跨度15m——25m,橋下機動車通行凈空4.8m——5.3m,能滿足現(xiàn)有無軌電車通行,天橋距離中河高架橋底2.5m——3.2m,完全滿足行人通行.全橋質(zhì)量僅為同體積鋼橋質(zhì)量的34%.在天橋的4個腳上裝有4對上下自動扶梯.該橋克服了通行凈空無法滿足使用要求這一技術(shù)難題,并解決了慶春路和中河路的交叉路口人車爭道矛盾.

    上海徐家匯人行天橋

    徐家匯人行天橋是國內(nèi)首座完全自主設(shè)計、自行制造、自行建造與安裝的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁,2007年9月29日在徐家匯槽溪北路投入運行,總工期僅37d.該橋由同濟大學(xué)沈祖炎院士團隊設(shè)計,外形類似外灘白渡橋,連接徐家匯第六百貨公司及太平洋百貨公司.主材為6061-T6合金擠壓型材,單跨23m,寬度6m,主橋高2.6m,凈高4.6m.該天橋自重僅150kN,最大可載質(zhì)量50t,遠低于地鐵上建設(shè)天橋總荷載不得超過700kN的標準,確定了該處地下地鐵的安全運行,有效地緩解了該路段人行通道的擁擠狀況,并為徐家匯的各商場帶來更多商機.

    徐家匯人行天橋所用鋁材是中國廣東鳳鋁鋁業(yè)有限公司三水公司生產(chǎn)的,鳳鋁鋁業(yè)有限公司成立于1990年,有南路和三水兩個生產(chǎn)基地,總生產(chǎn)能力300kt/年,是中國5家大擠壓企業(yè)之一,2016年有擠壓機64臺,其中56MN及90MN的大擠壓機各1臺.從除家匯人行天橋建成之日起,中國建設(shè)鋁橋所需的一切材料不但可全部自給,而且可成套出口,該市實際上至2017年已建成4座.

    北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋

    西單人行天橋是北京市迎奧運重點工程之一,2008年7月8日投入運行,鋁合金上部結(jié)構(gòu)為外資企業(yè)承建,大部分鋁合金擠壓型材國內(nèi)生產(chǎn),為6082-T6合金,鋁合金步道板等附件從國外進口,為6005-T6鋁合金,其中新建一號天橋呈"U"型,連接中友百貨商場和君太百貨公司,主跨38.1m,總長84m,橋面凈寬8m,主橋高4.1m,凈高5.1m,總面積1506m2,配置8部自動扶梯,一部升降平臺,是目前世界上最大的高強度鋁合金天橋;新建二號天橋為"Z"型天橋,連接西單商場和西單國際大廈,主跨32.7m,橋面凈寬6m,凈高5.2m,總長53.9m,總面積952.2m2,配備4部扶梯;新建連廊連接君太百貨公司與西單MALL的二層平臺,總長20.2m,凈寬5.8m,總面積127.90m2.該天橋造型很賦時代感,形式簡約,在滿足安全性、實用性的同時,兼顧了標志性、美觀性、舒適性,體現(xiàn)了人文氣息,可堪稱人行天橋的經(jīng)典平臺.

    該橋與兩側(cè)建筑的二層平臺構(gòu)成安全、連續(xù)、通暢、美觀、舒適的"S"型二層步行系統(tǒng)和高品質(zhì)的商業(yè)氣氛,徹底解決了人流量分流不合理,人車混行、交通擁堵等難題,實現(xiàn)了高品質(zhì)、人性化、便捷化、交通方便的規(guī)劃目標,提升了西單購物環(huán)境品質(zhì).

    杭州西湖附近的口字形過街人行鋁合金天橋是中國首座這類形式的鋁合金天橋,2013年4月通行,是中國叢林鋁業(yè)有限公司設(shè)計、制造與安裝的,全長217m,寬4.8m,承載能力4.3kN/m2.橋的桁架結(jié)構(gòu)用6082-T6合金擠壓大型材制造,四片主桁架及四片過渡桁架組成閉合環(huán)形人行天橋,呈口字型,其美觀獨特的結(jié)構(gòu)成為杭州街頭一道亮麗的風(fēng)景,成為現(xiàn)代建筑中的藝術(shù)品.

    南寧:中國過街人行鋁橋最多的城市,已建成41座

    據(jù)2014年南寧市工程建設(shè)信息網(wǎng)報道,南寧2014年規(guī)劃市區(qū)建設(shè)20座鋁合金人行過街天橋,分兩期建成,一期7座已于2014年(含2014年)前陸續(xù)完成,二期13座可從2015年起相繼建設(shè),這些過街鋁合金人行天橋全部由南南鋁業(yè)股份有限公司和廣西建工集團第一建筑工程有限責(zé)任公司承建.目前,南寧市是中國過街人行鋁橋最多的城市,也是全球這類過街天橋最多的城市之一.

    重慶市高新區(qū)創(chuàng)新大道協(xié)信天驕城人行天橋

    這座鋁合金橋于2015年竣工,是重慶市首座這類鋁合金橋,是中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司承建的.該橋為單跨鋁合金桁架結(jié)構(gòu)天橋,總長度約30m,跨徑26.4m,橋面凈寬4m,主橋體及人行梯道采用新型高強度鋁合金擠壓型材,桁架上、下弦以不銹鋼螺栓連接,支撐桁架肩梁為箱體結(jié)構(gòu),道路兩側(cè)分別設(shè)置兩座1:2梯道,梯道凈寬2.4m.

    甘肅省隴西縣鋁合金人行天橋:西北地區(qū)首座

    隴西鋁合金人行天橋是第六冶金建設(shè)公司與貴陽鋁鎂設(shè)計研究院設(shè)計與建設(shè)的,于2017年7月30日建成,僅歷時12h一次吊裝成功.該橋位于隴西縣北大街與北城路交叉路口,采用十字交叉鋁合金拱桁架結(jié)構(gòu),橋面凈寬3.2m,道路兩側(cè)分別設(shè)兩座1:2梯道,共4個出口8個梯道,梯道凈寬1.8m、1.5m,總長約118m,這是中國體量最大的X形天橋.

    內(nèi)蒙古首座人行鋁天橋在呼和浩特建成

    2017年7月21日,由中鋁貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司總承包,六冶(鄭州)科技重工有限公司安裝的呼和浩特市鄂爾多斯東街農(nóng)業(yè)大學(xué)鋁合金人行天橋一次吊裝就位,這是內(nèi)蒙古自治區(qū)首座鋁合金人行天橋,也是中鋁公司建設(shè)的首座這類橋梁.

    該橋跨度33m,橋?qū)?.4m,行人通行道凈寬3m,橋?qū)?.4m,橋下機動車凈空高5m,天橋有上下兩部電梯及兩部自動扶梯.該橋特點是采用了結(jié)構(gòu)外露理念,鏤空的桁架使橋體顯得輕盈、通透,沒有壓抑感,橋體采用了內(nèi)蒙古的建筑文化元素,融入了特有云紋圖案,地方文化特色得到凸顯,與周邊建筑相呼應(yīng),顯得格外和諧與協(xié)調(diào).

    北京市長安街-崇文門在建鋁合金天橋

    2017年8月23日中鋁國際工程股份有限公司與北京市政路橋管理養(yǎng)護集團有限公司在北京簽署了建設(shè)長安街東單-崇文門鋁合金天橋協(xié)議.根據(jù)協(xié)議,中鋁國際所屬中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司負責(zé)此橋的施工.東單-崇文門鋁合金人行天橋的建設(shè)意義非凡,是長安街綜合整治項目的一部分,長安街在中國政治生活和全國人民心中乃致全世界人民的心中都具有特殊的意義和神圣的地位,體現(xiàn)著我國首都形象和國家形象.此橋建成后無疑將是中國人行鋁合金天橋中最雄偉壯觀的,將成為此類橋的標桿,為北京市增加一道亮麗的風(fēng)景線.據(jù)悉,該天橋所用的擠壓鋁型材是兗礦輕合金有限公司生產(chǎn)的.

    除以上介紹的人行過街鋁合金天橋外,哈爾濱、黃巖等地也建成了一些這類橋梁.