铝桥：城市的亮丽风景线

    铝材特别是挤压铝材在桥梁中的应用已有相当长的历史,但用量不大,发展速度也不快,原因之一是铝合金的强度还不够高,不能满足公路、铁路桥梁的要求,常用的6xxx系合金挤压型材的抗拉强度Rm只有250N/mm2,亟需研发一批强度>650N/mm2的高强度的铝合金,以满足承重路桥特别是军用浮桥建设的急需,高强度与高抗蚀性铝合金挤压型材对建造浮桥有着特别重要的作用,舟桥部队是强大的解放军的一支重要组成部分,现行的6xxx系合金的各项性能对建造过街人行天桥来说却是绰绰有余;二是铝的价格比钢材的高,使桥的造价上升不少,在一定程度阻碍了铝桥的发展.

    用挤压铝合金型材造桥优点多多

    铝合金挤压型材是建造桥梁与浮桥的优良结构材料之一,尤其是对建造浮桥来说,在当前它是首选的材料,值得大力推广,其基本优点可归纳如下:

    密度低

    约为钢的1/3,铝合金的密度约为2.7g/cm3,而钢的密度却高达7.8g/cm3.

    6xxx系的强度性能可与低碳钢的相当,因此比强度(强度质量比)、比刚度(比弹性模量)远超过钢材的.

    抗腐蚀性能强

    对雨水、海水与道路盐份、泥浆的腐蚀可忽略不计,特别是5xxx系合金,因此不但建造完后不用刷油漆,在服务期间也不需定期维护.笔者2013年访问美国时,途经匹兹堡市,顺道造访1933年建造的斯密斯菲尔德街桥(Smithfield Street Bridge),这是一座建在河上的可过车与行人的铝结构桥,已有84年之久,仍光彩夺目,熠熠生辉.

    韧性高

    抗疲劳裂纹扩展能力很强,又无低温脆性.铝合金的强度与塑性均随着温度的下降而同步上升,可是90%以上的钢都有低温脆性,所以铝合金是高寒地区造桥的上乘材料,北欧建了不少铝合金公路桥.

    可挤压性能强

    这一点对于建造桥梁来说很重要,因为其可以生产设计师所需要的断面复杂的空心型材,增大承受负载的能力,而不必进行昂贵的切削加工,还可以生产变断面型材.中国不但是铝挤压大国,而且已跃居世界铝挤压初级强国,截至2016年,已拥有挤压力≥45MN的大挤压机135台,其中225MN、230MN、250MN的特大超级重型挤压机4台,可生产别国不能生产的超级大型材,为建造铝桥创造了极为有利的条件.同时还可以挤压又长又宽的前所未有的空心型材,可使桥梁的用材块数减至最少,而且由于摩擦搅拌焊的应用,对于简化制造工艺起了很大作用.由于大挤压材的应用与其质量的相对较轻,可在工厂预制桥梁,有利于降低制造成本与运输费用,缩短安装时间,对交通影响大大减轻.

    可回收性强

    铝是循环经济最佳的金属材料之一,铝合金桥梁在使用期间无腐蚀损失,几乎全部回收,同时废铝能耗仅相当于原铝提取能耗的5%,对资源的循环利用、节能减排有着重要意义,具有重大社会效益.

    铝桥梁比钢桥梁轻,有诸多不言而喻的优点.首先,最重要的是可以减轻上部结构的静载荷,增加车辆装载量,同时可以补偿即抵消诸如钢梁、电缆等对上部结构与桥基的不利影响;对大跨度桥梁来说还有更重要的意义,就是能使桥梁的总负载下降;在地震区减轻桥的静负载可以降低地震施加的侧向力,这种侧向力的大小与桥的静载荷成比例.

    从桥的建造史上来说,混凝土桥是最便宜的,由于它的静载荷大,在那些不适宜建造混凝土桥的地方,钢桥就成为首选,桥面厚度200mm的混凝土静负装454kg/m2.钢桥虽比混凝土桥轻不少,但造桥价却高得多.建造这种钢桥是一项艰辛的工作,是劳动密集型的,同时造价不菲.

    铝合金桥面比钢桥面轻得多,桥面板下的加强劲与板是一整体,一次挤压而成.铝合金桥面质量一般为90.8kg/m2,比国际公路标准规定的承载能力高得多,因而铝合金大挤压材成为修整具有历史意义桥梁的最具吸引力的材料,因为桥面静贡载对这类桥梁至关重要.然而,铝合金桥梁也有一些不足之处,不利于铝合金材料在桥梁建造中的大面积推广,主要问题是:

    原始成本高

    铝桥的原始成本(最初投资)比其他材料高,通常根据对比材料的不同高25%——100%,但是铝桥在造完后不需刷油漆,在以后的服役期间也不需要定期维护,因此若把维护费用也加以计算的话,则铝桥在整个使用期间的总费用(投资与维护费之和)要低于钢桥的,特别是在高寒地区,需用耐寒的无低温脆性的合金钢.

    对铝合金的认识不足

    无论是过去还是现在,无论是桥梁工程师还是广大群众,对钢材都耳熟能详,可是对铝材在工程方面的应用就不那么熟知了,因此,宜加强宣传,不但要在学校培养人才方面提及铝的应用,而且有关传媒应在适当地区与时间加强介绍,提高人们对铝及铝应用的认知.

    零件的连接

    过去铝桥是用铝板制造的,采用螺接与铆接连接零部件,上世纪90年代中期美国雷诺兹金属公司(Reynolds Metals Co.,2005年被美国铝业公司兼并)研制成功几种挤压桥梁铝型材,主要是用焊接法连接.用螺接或常规焊接法连接的不足之处是,接头的强度特别是疲劳强度比母材的低.后来,先进的摩擦搅拌法问世,为桥梁零部件的连接提供了优秀的连接工艺,可以焊接铝-铝,也可焊接铝-钢,焊缝的强度几乎与母材的相当.

    新型桥梁铝材合金

    桥梁铝材经过85年的发展取得了重大进展,已从板材建造进入了以挤压大空心铝型材接焊桥体时代,现行的桥梁铝材除传统的6063、6061合金外,还有新研发的欧洲6082合金,1972年在美国铝业协会公司注册,成分(质量%):0.7——7.3Si,0.05Fe,0.10Cu,0.40——0.10Mn,0.6——1.2Mg,0.25Cr,0.20Zn,0.10Ti,其他杂质每个0.05、合计0.15,其余Al;美国的7005合金,1962年在美国铝业协会公司注册,成分(质量%):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,其他杂质每个0.05、合计0.15,其余Al;日本的7N01合金,其中N代表日本(Nippon),它的成分(质量%):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,其他杂质每个0.05、合计0.15,其余Al;7N01是一个优秀的可挤压大型材的中高强度的铝合金,它的物理性能:2.78g/cm3,液相线温度620℃——650℃,线胀系数23.6×10-6/℃.

    新型铝合金的研制成功,摩擦搅拌焊的问世,大挤压机的建设,为桥梁铝材生产、桥梁建设创造了有利条件,在一定程度上降低了铝桥的造价,对推广铝材在桥梁中的应用相当有利.

    中国过街人行天桥的建设

    至2016年,铝合金桥梁的建设已跨越84个春秋(1933——2017年),全世界已建成的铝合金桥(公路桥、铁路桥、过街人行桥)约390座,国外96%以上为公路桥,铁路桥寥寥无几,中国的仅有62座,全为过街人行桥.

    中国首座过街天桥——杭州庆春路中河桥

    该桥是中国首座铝合金结构桥梁,2007年3月25日21时竣工,是德国公司设计、制造与建设的,所用铝材也是从德国进口的,主材为6082-T6铝合金.整座桥由5大预制件组成,呈"工"字形,主跨长39m,重11t,其余辅桥跨度15m——25m,桥下机动车通行净空4.8m——5.3m,能满足现有无轨电车通行,天桥距离中河高架桥底2.5m——3.2m,完全满足行人通行.全桥质量仅为同体积钢桥质量的34%.在天桥的4个脚上装有4对上下自动扶梯.该桥克服了通行净空无法满足使用要求这一技术难题,并解决了庆春路和中河路的交叉路口人车争道矛盾.

    上海徐家汇人行天桥

    徐家汇人行天桥是国内首座完全自主设计、自行制造、自行建造与安装的铝合金结构桥梁,2007年9月29日在徐家汇槽溪北路投入运行,总工期仅37d.该桥由同济大学沈祖炎院士团队设计,外形类似外滩白渡桥,连接徐家汇第六百货公司及太平洋百货公司.主材为6061-T6合金挤压型材,单跨23m,宽度6m,主桥高2.6m,净高4.6m.该天桥自重仅150kN,最大可载质量50t,远低于地铁上建设天桥总荷载不得超过700kN的标准,确定了该处地下地铁的安全运行,有效地缓解了该路段人行通道的拥挤状况,并为徐家汇的各商场带来更多商机.

    徐家汇人行天桥所用铝材是中国广东凤铝铝业有限公司三水公司生产的,凤铝铝业有限公司成立于1990年,有南路和三水两个生产基地,总生产能力300kt/年,是中国5家大挤压企业之一,2016年有挤压机64台,其中56MN及90MN的大挤压机各1台.从除家汇人行天桥建成之日起,中国建设铝桥所需的一切材料不但可全部自给,而且可成套出口,该市实际上至2017年已建成4座.

    北京市西单商业区人行天桥

    西单人行天桥是北京市迎奥运重点工程之一,2008年7月8日投入运行,铝合金上部结构为外资企业承建,大部分铝合金挤压型材国内生产,为6082-T6合金,铝合金步道板等附件从国外进口,为6005-T6铝合金,其中新建一号天桥呈"U"型,连接中友百货商场和君太百货公司,主跨38.1m,总长84m,桥面净宽8m,主桥高4.1m,净高5.1m,总面积1506m2,配置8部自动扶梯,一部升降平台,是目前世界上最大的高强度铝合金天桥;新建二号天桥为"Z"型天桥,连接西单商场和西单国际大厦,主跨32.7m,桥面净宽6m,净高5.2m,总长53.9m,总面积952.2m2,配备4部扶梯;新建连廊连接君太百货公司与西单MALL的二层平台,总长20.2m,净宽5.8m,总面积127.90m2.该天桥造型很赋时代感,形式简约,在满足安全性、实用性的同时,兼顾了标志性、美观性、舒适性,体现了人文气息,可堪称人行天桥的经典平台.

    该桥与两侧建筑的二层平台构成安全、连续、通畅、美观、舒适的"S"型二层步行系统和高品质的商业气氛,彻底解决了人流量分流不合理,人车混行、交通拥堵等难题,实现了高品质、人性化、便捷化、交通方便的规划目标,提升了西单购物环境品质.

    杭州西湖附近的口字形过街人行铝合金天桥是中国首座这类形式的铝合金天桥,2013年4月通行,是中国丛林铝业有限公司设计、制造与安装的,全长217m,宽4.8m,承载能力4.3kN/m2.桥的桁架结构用6082-T6合金挤压大型材制造,四片主桁架及四片过渡桁架组成闭合环形人行天桥,呈口字型,其美观独特的结构成为杭州街头一道亮丽的风景,成为现代建筑中的艺术品.

    南宁:中国过街人行铝桥最多的城市,已建成41座

    据2014年南宁市工程建设信息网报道,南宁2014年规划市区建设20座铝合金人行过街天桥,分两期建成,一期7座已于2014年(含2014年)前陆续完成,二期13座可从2015年起相继建设,这些过街铝合金人行天桥全部由南南铝业股份有限公司和广西建工集团第一建筑工程有限责任公司承建.目前,南宁市是中国过街人行铝桥最多的城市,也是全球这类过街天桥最多的城市之一.

    重庆市高新区创新大道协信天骄城人行天桥

    这座铝合金桥于2015年竣工,是重庆市首座这类铝合金桥,是中国有色金属工业第六冶金建设有限公司承建的.该桥为单跨铝合金桁架结构天桥,总长度约30m,跨径26.4m,桥面净宽4m,主桥体及人行梯道采用新型高强度铝合金挤压型材,桁架上、下弦以不锈钢螺栓连接,支撑桁架肩梁为箱体结构,道路两侧分别设置两座1:2梯道,梯道净宽2.4m.

    甘肃省陇西县铝合金人行天桥:西北地区首座

    陇西铝合金人行天桥是第六冶金建设公司与贵阳铝镁设计研究院设计与建设的,于2017年7月30日建成,仅历时12h一次吊装成功.该桥位于陇西县北大街与北城路交叉路口,采用十字交叉铝合金拱桁架结构,桥面净宽3.2m,道路两侧分别设两座1:2梯道,共4个出口8个梯道,梯道净宽1.8m、1.5m,总长约118m,这是中国体量最大的X形天桥.

    内蒙古首座人行铝天桥在呼和浩特建成

    2017年7月21日,由中铝贵阳铝镁设计研究院有限公司总承包,六冶(郑州)科技重工有限公司安装的呼和浩特市鄂尔多斯东街农业大学铝合金人行天桥一次吊装就位,这是内蒙古自治区首座铝合金人行天桥,也是中铝公司建设的首座这类桥梁.

    该桥跨度33m,桥宽3.4m,行人通行道净宽3m,桥宽3.4m,桥下机动车净空高5m,天桥有上下两部电梯及两部自动扶梯.该桥特点是采用了结构外露理念,镂空的桁架使桥体显得轻盈、通透,没有压抑感,桥体采用了内蒙古的建筑文化元素,融入了特有云纹图案,地方文化特色得到凸显,与周边建筑相呼应,显得格外和谐与协调.

    北京市长安街-崇文门在建铝合金天桥

    2017年8月23日中铝国际工程股份有限公司与北京市政路桥管理养护集团有限公司在北京签署了建设长安街东单-崇文门铝合金天桥协议.根据协议,中铝国际所属中国有色金属工业第六冶金建设有限公司负责此桥的施工.东单-崇文门铝合金人行天桥的建设意义非凡,是长安街综合整治项目的一部分,长安街在中国政治生活和全国人民心中乃致全世界人民的心中都具有特殊的意义和神圣的地位,体现着我国首都形象和国家形象.此桥建成后无疑将是中国人行铝合金天桥中最雄伟壮观的,将成为此类桥的标杆,为北京市增加一道亮丽的风景线.据悉,该天桥所用的挤压铝型材是兖矿轻合金有限公司生产的.

    除以上介绍的人行过街铝合金天桥外,哈尔滨、黄岩等地也建成了一些这类桥梁.