铝合金材料在桥梁中的应用

2016-11-08 by:CAE仿真在线来源:互联网

铝合金材料应用于桥梁工程已有80年的历史。1933年,美国人首次将铝合金材料应用于匹兹堡史密斯菲尔德街(SmithfieldStreet)人行天桥工程中,之后世界各地建造的典型的铝合金结构桥梁有英国梅德斯通跨越梅德韦河人行铝桥,荷兰的阿姆斯特丹桥,澳大利亚的杨切普大桥等。铝合金材料密度小自重轻,具有较高的弹性模量、良好的防腐性能,且结构维护费用低,在桥梁建设工程中得到了越来越广泛的应用。在一些西方国家,铝合金桥梁设计与建造的相关技术与装备已经成熟,而我国在铝合金桥梁技术方面目前尚处于起步阶段。2006年,杭州市政府率先和德国公司合作,建设了中国第一座铝合金人行天桥——杭州市庆春路中河人行天桥,拉开了我国设计建设铝合金桥梁的序幕。至今,杭州、上海、北京等城市已尝试建设了几座铝合金天桥。

杭州市新解百铝合金天桥

2013年3月,由山东丛林集团设计、制造的杭州市新解百铝合金天桥建成通过验收并投入使用,这是杭州市继2006年建成的我国第一座铝合金天桥后,新建的又一座铝合金桥体结构人行天桥,也是我国首座自行设计、建造的大跨度“口”字形铝合金天桥。

工程概况:新解百天桥位于杭州市庆春路与延安路交叉口的城市繁华主干道路上,距西湖仅500m。新解百天桥为“口”字形大跨度铝合金天桥,总长217.55m,宽4.8m,重226t,可满足4000余人同时通行。天桥分4个主桁架、4个过渡桁架,组成一闭合环形人行天桥,其中A桁架长53m,B桁架长44m,C桁架长44m,D桁架42m。天桥桥墩采用“T”型墩柱,支座采用板式橡胶支座,上部结构采用铝合金桁架。天桥由在各桁架端部分别安装人行楼梯和自动扶梯,全桥共设4对上下自动扶梯及4座人行楼梯,人行楼梯也均采用铝合金的结构形式。

结构设计:由于铝合金材料与钢材在力学性能方面的较大差异,铝合金人行天桥的设计不是简单的以铝代钢,需进行天桥结构的全新设计。山东丛林集团与杭州市城建设计研究院合作,充分融合双方在铝合金材料研发、生产和桥梁工程设计方面的各自优势与经验,对铝合金天桥的整体形状、桁架结构、型材截面、连接方式、电梯搭载部位以及排水系统进行了全面优化设计;依据国内外铝合金人行天桥的设计及应用经验,优选了成形性、焊接性、机械加工性和耐腐蚀性优良的6082合金;利用有限元分析技术,模拟天桥满载、偏载、施加水平推力、基本及飓风风压等多种工况,对铝合金天桥整体载荷、挠度、抗谐振及主要承重部位拉、压应力等进行重点优化设计分析。

型材优化:为减轻铝合金桥梁自重,增加载荷,提高天桥整体性能,山东丛林集团针对天桥各部件的不同作用和受力情况,研发设计了11种断面形状的结构型材。在型材研发过程中,利用SAP2000和MidasCivil等软件进行力学模拟分析,优化了各断面型材的长度和壁厚;通过对锭坯加热温度、挤压速度、在线淬火装置及工艺技术的研究和应用,成功制备出了513mm的宽体壁板型材;通过对型材固溶热处理炉淬火工艺、矫直校正等工艺技术的研究与应用,成功制备出多种规格的桁架结构铝型材,克服了6082铝合金淬火敏感性高以及成品率较低的技术难点。

杭州市新解百铝合金天桥构件性能试验现场

构件制造:新解百铝合金天桥结构庞大,零部件数量众多。天桥弦杆长度长(最长达50m),整体呈拱形,无法通过挤压方式一次性生产出该型材。为了方便加工和组装,山东丛林集团把天桥分解为4个主桁架和4个过渡桁架8大模块,每个桁架模块分为左右2个侧面桁架单元和底面桁架组件。通过研制特殊工装,满足了弦杆预拱形处理及机械加工装夹工艺的需求;利用大型龙门加工中心对弦杆侧面连接孔的整体一次性加工,有效保证了安装孔位置的精确度;采取螺栓连接方式解决了多段铝型材拼接成形的工艺问题。通过新解百铝合金天桥桥体结构件的研发、制造,丛林集团已形成了大型铝合金桥体复杂结构件加工制造的完整工艺技术。

桥体建造:以往建造的铝合金天桥桥面,桁架单元与侧面桁架单元一般采用法兰连接,但因铝合金材料焊接后强度降低30%,且伴有焊接变形,会造成法兰连接部位的强度和尺寸精度明显降低。为了解决这一问题,新解百天桥侧面桁架与桥面桁架采用了新型的螺夹板和螺栓连接方式。

由于设计空间位置受限,与一般天桥电梯搭载在桥墩上的设计方式不同,新解百天桥采用了“电梯直接搭载在桥梁结构上”的全新结构设计,该设计方式大幅增加了桥梁负重(电梯单重8t,共4部),并对桥梁的局部结构强度及安全性能提出了更高要求。为此,山东丛林集团对连接部位的结构及桥梁整体结构的设计、制造及安装工艺进行了全面优化,更改了电梯连接部位侧面桁架上斜、竖杆的位置,增加了斜、竖杆的数量,并研制生产“田”字形铝型材,用于加固电梯连接部位,分担桁架直接承受的重量。此设计方案的成功实施,有效解决天桥建设空间不足或建设用地紧张的难题,也为铝合金天桥的特殊结构设计、制造与施工积累了经验。

天桥的雨水泄导系统由宽向拱形桥面、两侧导水槽、侧向挡板、漏斗及集水管构成,集水管的末端与桥墩处的下水道直接相连,便于雨水及时汇集导排。

新解百天桥铝合金桥面采用了一种新型的聚脲弹性体涂层喷涂铺装技术,为增加桥面的防滑效果,涂层中加入防滑颗粒,桥面被制成表面带有纵向突起纹路的型材,以增加了聚脲涂层的附着力,确保了桥面铺装工程质量。聚脲弹性体涂层耐磨、防水、防腐、抗疲劳、耐老化,使用寿命长达20年,性价比高。

效果评价:经浙江方圆检测集团股份有限公司、浙江大学土木工程测试中心、杭州市建设工程质量安全监督总站的第三方检测证明:山东丛林集团研制的“铝合金人行天桥”,化学成分(6082合金)、力学性能、耐腐蚀性能、天桥的尺寸精度、外观质量等各项指标性能良好,检测结果均符合项目设计和建设要求;天桥整体安装后成功通过荷载试验等多项后续检验,完全满足天桥设计的承载要求,满足了“杭州新解百天桥”的实际使用需要。铝合金天桥作为一种新型桥梁结构,它的研制与应用不只是简单的铝合金替换钢材,而是多领域应用技术的创新性结合。铝合金天桥的研制与建造在国内正处于起步阶段,尚无相关的行业标准和规范可依,铝合金材料在杭州新解百天桥建设中的成功应用,为今后我国铝合金桥梁的研究、设计、建造积累了宝贵的经验。铝合金材料应用于城市桥梁建设符合建筑业绿色环保的新理念,具有良好的发展和推广前景。

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