铝工业展览会|浅谈铝合金在大跨度桥梁中的应用前景

今天铝工业展览会小编就来简单聊一聊铝合金在大跨度桥梁中的应用前景。

铝合金结构在建筑领域的应用已有较长的历史。因其轻量化和耐腐蚀的特点，在上世纪开始应用于各类建筑的主承重结构之中，而其在大跨度桥梁中的首次应用可以追溯至上世纪中旬。最早的铝合金承重桥梁建于1948年的英国亨顿铝合金开启桥，也是第一座铝合金开启桥，跨度约30米。而最早的铝合金大跨度桥梁是加拿大魁北克省的亚维达铝合金上承式拱桥，建于1950年，总长154米，总重仅163吨（为钢桥的1/2），至今仍是世上最长的铝合金大跨度桥梁。

大跨度铝合金桥梁虽然早在上世纪中叶就有非常成功的工程案例，但至今为止全球范围内采用铝合金材料的桥梁大部分还是小跨度的铝合金人行桥梁。主要原因是铝合金桥梁的初始建设成本较高，且早期建筑行业对金属结构腐蚀所带来的长期损失、建筑全生命周期成本分析（LCCA）及全生命周期碳排放分析（LCA）方面的重视程度不高，导致长期以来各国地方政府更倾向于选用初始建设成本较低的钢制大跨度桥梁。

以英国福斯桥为例，该桥为1889年兴建于苏格兰福斯河河口上方的悬臂式大桥，长2.5公里，是历史上著名的钢结构悬臂式桥梁，共使用了约五万八千吨的钢材。该桥建成后到1998年之前，钢结构年均维护费用大约是一百万英镑，期间负责维护该桥的伦敦铁路公司甚至因不堪财务重负而造成了大桥维护工作的停顿。

1998年至2002年期间，Railway Track公司承接了该桥高达四千万英镑的整体维护工作，这期间的年均维护费用为8百万英镑。

2002年至2011年期间，Network Rail公司的新维护合同金额达到了惊人的1.4亿英镑，年均维护费用约为1400万英镑，期间共消耗了油漆总量24万升。可见，钢结构桥梁由于腐蚀而带来的后续使用维护费用很高，钢材的年腐蚀率远高于铝合金。

铝合金桥梁的初始建造费用虽然较高，但使用过程中的维护费用低，且拆除后的铝合金材料回收率可达到95%以上，是当下低碳环保大趋势下的理想建材。而近年来多项新技术的日趋成熟也使得铝合金大跨度桥梁的实现具备了更高的可行性。

1. 铝工业展览会浅谈铝合金结构的优势及可塑性

铝合金结构由于其轻量化、耐腐蚀、一体化集成设计、工业化数字化制造、装配式施工以及低碳循环等优点，近年来在大跨度空间建筑结构，特种建筑结构领域中获得了广泛的应用。其优异的耐腐蚀性使得铝合金结构无需进行高成本的定期维护。且由于铝合金构件一般采用热挤压工艺进行生产，其截面的可塑性和定制化程度非常高，可使得截面的特性优势获得最充分的运用。

2.摩擦搅拌焊技术

摩擦搅拌焊（Friction Stir Welding, FSW）是由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）于1991年提出的一种新型固相连接技术。搅拌摩擦焊的原理为把一个高速旋转的搅拌工具插入待焊金属之间，并使搅拌工具以特定速度向前运动，通过轴肩及搅拌针的旋转摩擦能量将被焊金属加热到塑性状态（焊接时温度低于熔点，约为熔点的80%）。而搅拌工具向前移动，持续的挤压、搅拌塑性材料，使塑性材料形成一个稳定的流场。随着搅拌工具的移动，搅拌头经过的塑性区域的材料温度逐渐冷却并凝固形成焊缝。

FSW与常规焊接相比有着如下优势：

FSW焊接强度高，质量优良。由于利用焊接表面的相互摩擦作为热源，整个焊接表面同时被加热，焊接时间极短，热影响区小。图7为常规焊接与FSW的焊缝对比，可见FSW从微观组织、焊缝截面、焊缝质量方面都比常规焊接有着很大的优势。

常规焊接会造成铝合金材质的强度折减，对于不可热处理的强化型铝合金型材来说，焊后强度下降主要是热影响区温度超过铝合金的再结晶温度，导致再结晶及晶粒变大的现象，强度下降系数取决于焊接峰值温度。对于可热处理的强化型铝合金来说，焊后强度降低主要原因是热影响区内晶粒粗大，并且强化相由于热源的作用而固溶至基体中，从而使弥散强化效应减弱，强度下降系数主要取决于材料第二相性质和热循环特性。

而FSW可以将焊接部位中铝合金的温度保持在熔点以下，避免因结晶结构的改变导致的强度下降，因此非常适用于铝合金这种热敏感性材料。此外，常规焊接的焊丝耐腐蚀性一般都低于母材，从而导致热处理强化型铝合金焊缝的耐蚀性能的降低尤其明显。

除了相同金属材料的焊接外，FSW还适用于性能相差较大的不同金属之间的焊接。焊接过程不需要填充焊丝和保护气体，且焊接前不需要开坡口和对材料表面作特殊处理，有利于实现全方位的高速焊接。是一种更高效节能的金属连接方法。以厚度为12.5毫米的6000系列的铝合金材料为例，FSW可单道焊双面成型，总功率输入仅为3kw，为常规焊接的30-50%。

3. 铝工业展览会浅谈超大铝合金组合构件的应用可行性

上述两项要素的结合，为超大型铝合金组合构件的生产提供了牢靠的基础条件。铝合金的可塑性使得复杂截面铝合金构件的设计和制造得以以低成本的方式实现，而FSW技术的运用，让超大型铝合金组合构件的拼装及施工变得更加可控、可实现。且由于FSW技术带来的优势，超大型铝合金组合构件相比钢结构更加高效节能。

综上所述，铝合金材料的特点优势加上当代最新技术的加持，铝合金大跨度桥梁的初始建造成本和碳排放甚至有可能与钢制桥梁持平。

铝合金结构的建设成本虽然高于钢结构，但在朗厄努恩铝合金悬索桥的可行性报告中可见，若将铝合金桥箱梁的设计运用于大跨度桥梁中，该项目的初始建设成本可基本与钢制桥梁持平，甚至略低于钢制桥梁。

若叠加考虑桥梁的后期维护成本、碳排放和回收再利用等三个要素，铝合金结构桥梁在全生命周期的总成本和对环境的负面影响将会远小于钢结构桥梁。

未来的桥梁建设项目必然会更加关注项目全生命周期成本分析（LCCA）和全生命周期碳足迹分析（LCA）；在这个趋势下，新型结构材料、新结构体系及其配套建设技术将会得到受到更多的关注和采用。

铝合金结构拥有轻量化、耐腐蚀性、一体化集成设计、工业化数字化制造、装配式施工以及低碳循环等优点，都能很好的满足未来桥梁建设项目的需求。铝工业展览会小编觉得，随着新技术的持续发展和完善，铝合金在大跨度桥梁中将有着日益广阔的应用前景。

文章来源：铝高端制造