鋁合金材料在橋梁中的應用

2016-11-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

鋁合金材料應用于橋梁工程已有80年的歷史。1933年,美國人首次將鋁合金材料應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構橋梁有英國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,且結構維護費用低,在橋梁建設工程中得到了越來越廣泛的應用。在一些西方國家,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。2006年,杭州市政府率先和德國公司合作,建設了中國第一座鋁合金人行天橋——杭州市慶春路中河人行天橋,拉開了我國設計建設鋁合金橋梁的序幕。至今,杭州、上海、北京等城市已嘗試建設了幾座鋁合金天橋。

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,這是杭州市繼2006年建成的我國第一座鋁合金天橋后,新建的又一座鋁合金橋體結構人行天橋,也是我國首座自行設計、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。天橋分4個主桁架、4個過渡桁架,組成一閉合環形人行天橋,其中A桁架長53m,B桁架長44m,C桁架長44m,D桁架42m。天橋橋墩采用“T”型墩柱,支座采用板式橡膠支座,上部結構采用鋁合金桁架。天橋由在各桁架端部分別安裝人行樓梯和自動扶梯,全橋共設4對上下自動扶梯及4座人行樓梯,人行樓梯也均采用鋁合金的結構形式。

結構設計:由于鋁合金材料與鋼材在力學性能方面的較大差異,鋁合金人行天橋的設計不是簡單的以鋁代鋼,需進行天橋結構的全新設計。山東叢林集團與杭州市城建設計研究院合作,充分融合雙方在鋁合金材料研發、生產和橋梁工程設計方面的各自優勢與經驗,對鋁合金天橋的整體形狀、桁架結構、型材截面、連接方式、電梯搭載部位以及排水系統進行了全面優化設計;依據國內外鋁合金人行天橋的設計及應用經驗,優選了成形性、焊接性、機械加工性和耐腐蝕性優良的6082合金;利用有限元分析技術,模擬天橋滿載、偏載、施加水平推力、基本及颶風風壓等多種工況,對鋁合金天橋整體載荷、撓度、抗諧振及主要承重部位拉、壓應力等進行重點優化設計分析。

型材優化:為減輕鋁合金橋梁自重,增加載荷,提高天橋整體性能,山東叢林集團針對天橋各部件的不同作用和受力情況,研發設計了11種斷面形狀的結構型材。在型材研發過程中,利用SAP2000和MidasCivil等軟件進行力學模擬分析,優化了各斷面型材的長度和壁厚;通過對錠坯加熱溫度、擠壓速度、在線淬火裝置及工藝技術的研究和應用,成功制備出了513mm的寬體壁板型材;通過對型材固溶熱處理爐淬火工藝、矯直校正等工藝技術的研究與應用,成功制備出多種規格的桁架結構鋁型材,克服了6082鋁合金淬火敏感性高以及成品率較低的技術難點。

杭州市新解百鋁合金天橋構件性能試驗現場

構件制造:新解百鋁合金天橋結構龐大,零部件數量眾多。天橋弦桿長度長(最長達50m),整體呈拱形,無法通過擠壓方式一次性生產出該型材。為了方便加工和組裝,山東叢林集團把天橋分解為4個主桁架和4個過渡桁架8大模塊,每個桁架模塊分為左右2個側面桁架單元和底面桁架組件。通過研制特殊工裝,滿足了弦桿預拱形處理及機械加工裝夾工藝的需求;利用大型龍門加工中心對弦桿側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題。通過新解百鋁合金天橋橋體結構件的研發、制造,叢林集團已形成了大型鋁合金橋體復雜結構件加工制造的完整工藝技術。

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

由于設計空間位置受限,與一般天橋電梯搭載在橋墩上的設計方式不同,新解百天橋采用了“電梯直接搭載在橋梁結構上”的全新結構設計,該設計方式大幅增加了橋梁負重(電梯單重8t,共4部),并對橋梁的局部結構強度及安全性能提出了更高要求。為此,山東叢林集團對連接部位的結構及橋梁整體結構的設計、制造及安裝工藝進行了全面優化,更改了電梯連接部位側面桁架上斜、豎桿的位置,增加了斜、豎桿的數量,并研制生產“田”字形鋁型材,用于加固電梯連接部位,分擔桁架直接承受的重量。此設計方案的成功實施,有效解決天橋建設空間不足或建設用地緊張的難題,也為鋁合金天橋的特殊結構設計、制造與施工積累了經驗。

天橋的雨水泄導系統由寬向拱形橋面、兩側導水槽、側向擋板、漏斗及集水管構成,集水管的末端與橋墩處的下水道直接相連,便于雨水及時匯集導排。

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,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,使用壽命長達20年,性價比高。

效果評價:經浙江方圓檢測集團股份有限公司、浙江大學土木工程測試中心、杭州市建設工程質量安全監督總站的第三方檢測證明:山東叢林集團研制的“鋁合金人行天橋”,化學成分(6082合金)、力學性能、耐腐蝕性能、天橋的尺寸精度、外觀質量等各項指標性能良好,檢測結果均符合項目設計和建設要求;天橋整體安裝后成功通過荷載試驗等多項后續檢驗,完全滿足天橋設計的承載要求,滿足了“杭州新解百天橋”的實際使用需要。鋁合金天橋作為一種新型橋梁結構,它的研制與應用不只是簡單的鋁合金替換鋼材,而是多領域應用技術的創新性結合。鋁合金天橋的研制與建造在國內正處于起步階段,尚無相關的行業標準和規范可依,鋁合金材料在杭州新解百天橋建設中的成功應用,為今后我國鋁合金橋梁的研究、設計、建造積累了寶貴的經驗。鋁合金材料應用于城市橋梁建設符合建筑業綠色環保的新理念,具有良好的發展和推廣前景。

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