鋁合金在世界范圍內新建或橋梁維修中的應用已經有了很長時間的歷史。相比較而言, 我國在該方面的研究基本上還是處于空白狀態。本文研究了鋁合金材料的材料力學特性, 詳細分析了鋁合金應用于橋梁的優點, 回顧了世界范圍內鋁合金橋梁的發展歷程并對其現狀進行了闡述, 最后討論了鋁合金在橋梁中的應用需要進一步研究的問題。
1 鋁合金的材料力學特性
主要力學性能指標
目前, 目前用于建造或修復鋁合金橋梁的鋁合金有多種如6061-T6型鋁合金和
應力- 應變曲線
單向拉伸試驗表明, 鋁合金材料存在明顯的線彈性階段; 當拉應力接近屈服強度時, 材料的彈性模量急劇降低, 但沒有出現類似低碳鋼的屈服平臺而是直接進入了強化階段。圖1 是實測得到的兩條鋁合金材料的應力- 應變曲線。可以看出, 鋁合金材料的應力- 應變曲線呈現非線性連續性, 這與鋼材有所不同, 必須采用更為復雜的模型才能實現對鋁合金結構的精確分析。
重量輕、比強度高。鋁合金材料的密度為2.7g/cm3 , 大致為鋼材的三分之一, 而常用的6000 系列鋁合金材料的強度比一般常用的碳素鋼的強度還要高。如6061-T6 型鋁合金的屈服強度為245MPa,抗拉強度可達265MPa, 已超過Q235 鋼的強度指標。高強度鋁合金型材, 如70XX-T6 系列的屈服強度可達300MPa, 甚至500MPa以上。因此, 采用鋁合金代替鋼材或者混凝土建造橋梁結構可以大大減輕結構自重。由于橋梁的上部結構較輕, 不但減輕了施工強度, 縮短施工周期而且對基礎的要求降低, 減少了下部結構的建造費用。
鋁合金材料具有良好的耐腐蝕性能, 鋁合金在大氣的影響下, 其表面能夠自
主要介紹工程中比較常用的6061-T6型鋁合金的材料力學性能。
我 國《鋁合金建筑型材 》(GB5237- 2000) 、現行美國鋁合金結構設計規范和歐洲規范給出的相同類型鋁合金材料主要力學性能指標見下表。文獻[5]實測得到的鋁合金材料材性指標值也見表中。可以看出, 各規范給出的鋁合金材料主要力學性能指標值差別不大( 如表1）。
上式中, n 是一個描述材料應變硬化的參數, 由材料試驗確定, 一般情況下可以用Steinhardt給出的近似表達式確定:
2 鋁合金材料應用于橋梁工程的優點
與混凝土和鋼材等傳統建筑材料相比, 鋁合金具有下列優點。
然地形成一層氧化層。這種氧化層可以在很大程度上防止鋁合金材料的腐蝕, 這種良好的耐腐蝕性可極大地減少橋梁的防腐和維護費用; 在鋼筋混凝土橋面板和鋁合金構件起組合作用的情況下, 由于鋁合金材料的熱膨脹系數(22×10-6)比鋼筋混凝土大, 所以在寒冷的環境下鋁合金材料的收縮可以使混凝土中產生的微裂縫趨于封閉, 使得水分和氯化物無法侵入, 從而保護
了鋼筋。
由于重量輕, 鋁合金橋梁大多采用工廠預制、現場安裝的方法, 其預制、運輸以及安裝過程簡單, 時間短, 費用較低, 能夠適應符合現代施工技術的工業化要求。
鋁合金材料具有良好的低溫性能, 隨著溫度的降低, 其強度反而有所增加且無低溫脆性問題, 因此可以用于制造寒冷地區的橋梁。
在現有橋梁的維修加固時, 可以以較小的重量增加較大的承載力, 提高橋梁承受活荷載的比例。
鋁合金材料易于回收, 再處理成本低、再利用率高, 有利于環境保護, 符合可持續發展要求。
目前, 鋁合金材料的價格高于鋼材, 但是其較低的制造、運輸、安裝費用和較短的時間、低廉的維護費用可以彌補其原始材料價格上的劣勢。當鋁合金橋梁結構采用
