鋁合金材料在橋梁中的應(yīng)用

2016-11-08 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

鋁合金材料應(yīng)用于橋梁工程已有80年的歷史。1933年,美國(guó)人首次將鋁合金材料應(yīng)用于匹茲堡史密斯菲爾德街(SmithfieldStreet)人行天橋工程中,之后世界各地建造的典型的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁有英國(guó)梅德斯通跨越梅德韋河人行鋁橋,荷蘭的阿姆斯特丹橋,澳大利亞的楊切普大橋等。鋁合金材料密度小自重輕,具有較高的彈性模量、良好的防腐性能,且結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用低,在橋梁建設(shè)工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在一些西方國(guó)家,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(guó)在鋁合金橋梁技術(shù)方面目前尚處于起步階段。2006年,杭州市政府率先和德國(guó)公司合作,建設(shè)了中國(guó)第一座鋁合金人行天橋——杭州市慶春路中河人行天橋,拉開(kāi)了我國(guó)設(shè)計(jì)建設(shè)鋁合金橋梁的序幕。至今,杭州、上海、北京等城市已嘗試建設(shè)了幾座鋁合金天橋。

杭州市新解百鋁合金天橋

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(guò)驗(yàn)收并投入使用,這是杭州市繼2006年建成的我國(guó)第一座鋁合金天橋后,新建的又一座鋁合金橋體結(jié)構(gòu)人行天橋,也是我國(guó)首座自行設(shè)計(jì)、建造的大跨度“口”字形鋁合金天橋。

工程概況:新解百天橋位于杭州市慶春路與延安路交叉口的城市繁華主干道路上,距西湖僅500m。新解百天橋?yàn)椤翱凇弊中未罂缍蠕X合金天橋,總長(zhǎng)217.55m,寬4.8m,重226t,可滿足4000余人同時(shí)通行。天橋分4個(gè)主桁架、4個(gè)過(guò)渡桁架,組成一閉合環(huán)形人行天橋,其中A桁架長(zhǎng)53m,B桁架長(zhǎng)44m,C桁架長(zhǎng)44m,D桁架42m。天橋橋墩采用“T”型墩柱,支座采用板式橡膠支座,上部結(jié)構(gòu)采用鋁合金桁架。天橋由在各桁架端部分別安裝人行樓梯和自動(dòng)扶梯,全橋共設(shè)4對(duì)上下自動(dòng)扶梯及4座人行樓梯,人行樓梯也均采用鋁合金的結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):由于鋁合金材料與鋼材在力學(xué)性能方面的較大差異,鋁合金人行天橋的設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的以鋁代鋼,需進(jìn)行天橋結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計(jì)。山東叢林集團(tuán)與杭州市城建設(shè)計(jì)研究院合作,充分融合雙方在鋁合金材料研發(fā)、生產(chǎn)和橋梁工程設(shè)計(jì)方面的各自優(yōu)勢(shì)與經(jīng)驗(yàn),對(duì)鋁合金天橋的整體形狀、桁架結(jié)構(gòu)、型材截面、連接方式、電梯搭載部位以及排水系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化設(shè)計(jì);依據(jù)國(guó)內(nèi)外鋁合金人行天橋的設(shè)計(jì)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),優(yōu)選了成形性、焊接性、機(jī)械加工性和耐腐蝕性優(yōu)良的6082合金;利用有限元分析技術(shù),模擬天橋滿載、偏載、施加水平推力、基本及颶風(fēng)風(fēng)壓等多種工況,對(duì)鋁合金天橋整體載荷、撓度、抗諧振及主要承重部位拉、壓應(yīng)力等進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

型材優(yōu)化:為減輕鋁合金橋梁自重,增加載荷,提高天橋整體性能,山東叢林集團(tuán)針對(duì)天橋各部件的不同作用和受力情況,研發(fā)設(shè)計(jì)了11種斷面形狀的結(jié)構(gòu)型材。在型材研發(fā)過(guò)程中,利用SAP2000和MidasCivil等軟件進(jìn)行力學(xué)模擬分析,優(yōu)化了各斷面型材的長(zhǎng)度和壁厚;通過(guò)對(duì)錠坯加熱溫度、擠壓速度、在線淬火裝置及工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用,成功制備出了513mm的寬體壁板型材;通過(guò)對(duì)型材固溶熱處理爐淬火工藝、矯直校正等工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用,成功制備出多種規(guī)格的桁架結(jié)構(gòu)鋁型材,克服了6082鋁合金淬火敏感性高以及成品率較低的技術(shù)難點(diǎn)。

杭州市新解百鋁合金天橋構(gòu)件性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

構(gòu)件制造:新解百鋁合金天橋結(jié)構(gòu)龐大,零部件數(shù)量眾多。天橋弦桿長(zhǎng)度長(zhǎng)(最長(zhǎng)達(dá)50m),整體呈拱形,無(wú)法通過(guò)擠壓方式一次性生產(chǎn)出該型材。為了方便加工和組裝,山東叢林集團(tuán)把天橋分解為4個(gè)主桁架和4個(gè)過(guò)渡桁架8大模塊,每個(gè)桁架模塊分為左右2個(gè)側(cè)面桁架單元和底面桁架組件。通過(guò)研制特殊工裝,滿足了弦桿預(yù)拱形處理及機(jī)械加工裝夾工藝的需求;利用大型龍門(mén)加工中心對(duì)弦桿側(cè)面連接孔的整體一次性加工,有效保證了安裝孔位置的精確度;采取螺栓連接方式解決了多段鋁型材拼接成形的工藝問(wèn)題。通過(guò)新解百鋁合金天橋橋體結(jié)構(gòu)件的研發(fā)、制造,叢林集團(tuán)已形成了大型鋁合金橋體復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工制造的完整工藝技術(shù)。

橋體建造:以往建造的鋁合金天橋橋面,桁架單元與側(cè)面桁架單元一般采用法蘭連接,但因鋁合金材料焊接后強(qiáng)度降低30%,且伴有焊接變形,會(huì)造成法蘭連接部位的強(qiáng)度和尺寸精度明顯降低。為了解決這一問(wèn)題,新解百天橋側(cè)面桁架與橋面桁架采用了新型的螺夾板和螺栓連接方式。

由于設(shè)計(jì)空間位置受限,與一般天橋電梯搭載在橋墩上的設(shè)計(jì)方式不同,新解百天橋采用了“電梯直接搭載在橋梁結(jié)構(gòu)上”的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)方式大幅增加了橋梁負(fù)重(電梯單重8t,共4部),并對(duì)橋梁的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全性能提出了更高要求。為此,山東叢林集團(tuán)對(duì)連接部位的結(jié)構(gòu)及橋梁整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造及安裝工藝進(jìn)行了全面優(yōu)化,更改了電梯連接部位側(cè)面桁架上斜、豎桿的位置,增加了斜、豎桿的數(shù)量,并研制生產(chǎn)“田”字形鋁型材,用于加固電梯連接部位,分擔(dān)桁架直接承受的重量。此設(shè)計(jì)方案的成功實(shí)施,有效解決天橋建設(shè)空間不足或建設(shè)用地緊張的難題,也為鋁合金天橋的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

天橋的雨水泄導(dǎo)系統(tǒng)由寬向拱形橋面、兩側(cè)導(dǎo)水槽、側(cè)向擋板、漏斗及集水管構(gòu)成,集水管的末端與橋墩處的下水道直接相連,便于雨水及時(shí)匯集導(dǎo)排。

新解百天橋鋁合金橋面采用了一種新型的聚脲彈性體涂層噴涂鋪裝技術(shù),為增加橋面的防滑效果,涂層中加入防滑顆粒,橋面被制成表面帶有縱向突起紋路的型材,以增加了聚脲涂層的附著力,確保了橋面鋪裝工程質(zhì)量。聚脲彈性體涂層耐磨、防水、防腐、抗疲勞、耐老化,使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年,性價(jià)比高。

效果評(píng)價(jià):經(jīng)浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司、浙江大學(xué)土木工程測(cè)試中心、杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站的第三方檢測(cè)證明:山東叢林集團(tuán)研制的“鋁合金人行天橋”,化學(xué)成分(6082合金)、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、天橋的尺寸精度、外觀質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)性能良好,檢測(cè)結(jié)果均符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)要求;天橋整體安裝后成功通過(guò)荷載試驗(yàn)等多項(xiàng)后續(xù)檢驗(yàn),完全滿足天橋設(shè)計(jì)的承載要求,滿足了“杭州新解百天橋”的實(shí)際使用需要。鋁合金天橋作為一種新型橋梁結(jié)構(gòu),它的研制與應(yīng)用不只是簡(jiǎn)單的鋁合金替換鋼材,而是多領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新性結(jié)合。鋁合金天橋的研制與建造在國(guó)內(nèi)正處于起步階段,尚無(wú)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依,鋁合金材料在杭州新解百天橋建設(shè)中的成功應(yīng)用,為今后我國(guó)鋁合金橋梁的研究、設(shè)計(jì)、建造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。鋁合金材料應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)符合建筑業(yè)綠色環(huán)保的新理念,具有良好的發(fā)展和推廣前景。

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