铝合金在城市人行天桥中的应用

摘 要：铝合金作为高性能建筑材料，具有密度小、强重比高、耐腐蚀、焊接性能好、易于装配、维护费用低及可循环利用等诸多优点。在桥梁工程领域，国外已有不少成功的应用实例，对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，且主要集中于城市人行天桥中。国内已经铝合金人行天桥运行良好，得到了各界的认可，铝合金结构桥梁在我国必将得到广泛应用和发展。

关键词：铝合金；桥梁工程；人行天桥

1 概述

钢材作为桥梁工程中应用较为广泛的材料之一，因其耐腐蚀性差而引起的耐久性问题所困扰，开发新型材料对桥梁的发展具有重要的理论和实践意义。

铝合金材料因为具有其强重比高、耐腐蚀、断裂韧性和疲劳强度高、焊接性能好等诸多优点，在机械、航天、航空、船舶、汽车制造、军工、包装、电子和电力等领域得到广泛应用。正是这些优点使得铝合金成为一种新型的建筑材料，开始应用于土木结构当中。在欧美等国家，早在二十世纪三、四十年代铝合金结构就被应用到桥梁的维修与建设中。在我国，铝合金结构在杭州、上海、北京、南宁等城市人行天桥中被陆续采用，目前使用状况良好。

2 铝合金的性能特点及铝合金人行天桥的优势

2.1 铝合金的性能特点

铝合金之所以在桥梁中得到广泛的应用，主要是其具有较多钢和混凝土结构所不可匹敌的优点。

（1）密度：铝合金的密度约为钢的1/3左右，具有较高的比强度，有利于桥梁的减重，提高桥梁的负载能力。

（2）耐蚀性：铝合金能够在自然条件下形成氧化膜，对内部材料形成保护，具有良好的耐蚀性，无需进行表面涂层防护，因此具有高的服役寿命和低的维护费用。据有关文献报道，在高盐含量与污染物环境下，铝材料、耐候钢和低碳钢的厚度腐蚀速率分别为0.0194mm/年、0.81mm/年和2.19mm/年。

（3）强度：与低碳结构钢相比，常用5系和6系铝合金的抗拉强度和屈服强度在110-350MPa间，力学性能可观，而且随着技术水平的提高，更高强度铝合金材料的研发成为可能。

（4）韧性：铝合金具有高韧性和低塑性断裂抗力，与钢相比，无明显低温塑性-脆性转变特性，这一特点使其在某些低温环境下应用非常有优势。

（5）焊接性能：与钢相比，铝合金焊合区力学性能损失较大，但通过优化焊接工艺和结构设计可进行有效地弥补，如搅拌摩擦焊能够很好地将铝合金进行焊接并使焊合区力学性能保持或提高。

（6）疲劳性能：铝合金的疲劳强度低于钢，最初设计规定为钢疲劳强度的1/3，但铝合金可通过挤压加工实现整体成形，避免焊接导致的疲劳强度降低，而且可使局部壁厚增大，从而降低应力的影响。

（7）热膨胀系数：铝合金的线热膨胀系数为1.881×10-5/℃～ 2.360

×10-5/℃，约为钢和混凝土结构的2倍，因此，在设计使用中必须注意热胀冷缩带来的尺寸影响。

（8）经济性：铝合金结构桥梁造价虽然约为钢或混凝土结构桥梁的两倍甚至更高，但其可加工性强，加工费用低，维护费用低，服役周期长（一般可达50年），总体费用算来，与传统钢或混凝土结构桥梁费用持平或略低。

（9）可持续发展性：铝合金良好的耐蚀性无需定期的喷漆防腐维护，一定程度上减少了对环境的危害；整体结构组装可大大缩短施工周期，缩短交通恢复期限；铝合金回收能耗仅电解铝的5%，可循环再次利用率大，回收率可达到90%以上（是钢材回收率的5倍以上），基本和铝锭价格差异不大，是典型的绿色环保材料。

2.2 铝合金在城市人行天桥的优势

铝合金人行天桥的主要特性可概括为三个字――“高、轻、亮”。“高”是指铝合金人行天桥科技含量高；“轻”是指铝合金人行天桥结构轻巧，重量轻盈；“亮”是指铝合金人行天桥视觉观感亮丽。“高、轻、亮”的铝合金人行天桥既满足了城市便捷通行的需求，也在一定程度上能体现一座城市的科技与景观。概括而言铝合金人行天桥主要有以下优势：

（1）工厂化制作，场外拼装，不产生建筑垃圾；（2）吊装时间缩短，不需要长时间封路、设路障，对道路交通的影响降低；（3）结构自重减轻，降低了基础费用和对地质条件的要求。

3 铝合金在桥梁中的应用与发展概况

3.1 国外铝合金桥梁的应用与发展

全球首个铝合金在桥梁工程中的应用实例为既有桥梁桥面板更换[1]。1933年，美国铝业公司为了减轻史密斯菲尔德街桥的静荷载，用铝合金桥面板替代了破损的钢板和木板，该面板合金状态为2014-T6，服役时间长达34年。1946年，世界上第一座全铝合金结构的桥梁在美国纽约建成。此后，北美相继修建了一批铝合金桥梁，1946-1963年间，共建造9座铝合金桥梁，其中8座目前仍在使用。

1949年，加拿大在魁北克省阿尔维达塞右奈河上建成一座单跨跨径达90m的铝合金桥，该桥桥墩高约15m，整个结构由2014-T6铝合金制成，锚栓连接，总质量163t。是世界上第一座全铝合金结构桥梁，与原计划修建的钢桥相比，重量减轻约56%[2]。

20世纪50年代至70年代的欧洲，在钢价及钢桥维护费用双项连续上涨的促使下，铝合金因其强重比高、耐腐蚀、维护费用低及可循环利用等特点取代刚才一跃进入欧洲桥梁市场，并得到了快速发展。自1949年英国萨瑟兰郡桥建成后，欧洲各国开始将铝合金广泛应用于桥梁面板和主要结构构件。1949年-1985年，英国建造了30多座铝合金结构桥梁。1950年-1970年期间，德国共建造铝合金桥梁20座，包括人行桥和公路桥，1其中964年，英国在梅德斯通修建跨越Medway河的人行铝桥（悬索桥），跨径180m，该桥荣获多项欧洲设计奖项。

法国在20世纪70年代初期，修建了2座公路铝桥，第一座位于蒙梅勒，第二座位于格罗莱，跨越罗讷河[2]。1998年意大利借鉴法国两座桥改建的经验，对二战中受损严重的雷亚尔・费迪南多悬索桥进行了翻新，纵梁采用7020T6型铝合金，横梁采用6060T6型铝合金，目前该桥仍在正常运营。

荷兰分别于1999年、2003年在海尔蒙德和阿姆斯特丹建成一种别具风格的开启式桥，这两座桥分别于1999年和2003年获得“欧洲铝结构奖”。在此基础上，荷兰为了研究运输基础设施的创新方法，设计建造了一座单车道漂浮式公路浮桥，设计车辆最大通行速度为80km/h[2]。

3.2 国内铝合金结构桥梁发展概况

随着对铝合金材料性能认识的逐步深入，我国开始关注铝合金桥梁的应用。但是目前，主要集中在人行天桥上，还有少量的铝合金桥面板的应用。

2006年，杭州市政府率先与德国公司合作，建成了中国第一座铝合金桥――杭州市庆春路铝合金人行天桥，拉开了我国设计建设铝合金桥梁的序幕。

2007年9月29日国内首座完全自主设计、自行生产、自行建造的铝合金结构桥梁-上海徐家汇人行天桥工程在徐家汇漕溪北路投入运行。

2008年7月，作为北京市迎奥运重点工程的西单商业区人行天桥工程投入试运行，铝合金上部结构为外资公司承建，主要铝合金型材（6082-T6铝合金型材）均为国内生产，铝合金步道板等附件从国外进口，为6005-T6铝合金。该桥建设的同时，制订JQB-198-2008《北京市西单商业区人行天桥工程铝合金上部结构施工质量验收标准》（北京市建设委员会备案），为今后铝合金结构桥梁施工验收提供了宝贵借鉴经验。

2011年12月福建省龙岩市在向杭州、上海、北京等地取经的基础上，斥资500余万在人民路西安居委会大门西侧，修建了一座“工”字形人行天桥，主桥梁长近50米，横跨机动车双向六车道。

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。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。

此外，在福建龙岩以及广西南宁等城市也相继设计建造了铝合金人行天桥。2014年，南南铝工程有限责任公司组成了一个项目研究团队，针对新型大规格高性能铝合金材料应用领域，研究将其应用于承重结构领域的关键技术，开发铝合金人行天桥产品，争取3年内在南宁市建造20座铝合金人行天桥，实现产值1亿元，目前已经已建成2座，得到了广大市民的认可。

4 结论与建议

铝合金结构桥梁在国外已经有了各种各样的应用实例，并且制定了相关的规范。而国内对铝合金结构桥梁的研究相对较少，并没有制定专业的规范，这很大程度上制约了铝合金桥梁在国内的发展。

但是我国北京、上海、杭州、南宁等地陆续建设铝合金人行天桥，并相继投入运营。在设计及建设过程中积累了宝贵的经验，并编写了JQB-198-2008《北京市西单商业区人行天桥工程铝合金上部结构施工质量验收标准》等相关技术标准，可为后续发展铝合金人行天桥提供一定的技术支持。

我国目前已具备发展铝合金结构桥梁的基础条件，发展符合我国国情的铝合金结构桥梁对优化建筑业产业结构，提高产业整体水平、实现可持续发展等均具有重大意义。可以预测，铝合金结构桥梁在我国必将得到广泛应用和发展。

参考文献

[1]GB50429-2007.中华人民共和国建设部.铝合金结构设计规范[S].

[2]王春生，高珊.铝合金桥梁的受力性能[J].世界桥梁，2008，3.

[3]陈宝春，杨亚林，孙潮.铝桥的应用与发展[J].世界桥梁，2004，2.

[4]Tomasz Siwowski. Aluminum Bridge-Past，Present and Future[J].Structural Engineering International，SEI，2006，4.

[5]姚常华，杨建国，吴利权.铝合金结构桥梁的应用现状、前景及发展建议[J].钢结构，2009，7.

作者简介：钱慧（1985-），女，汉族，甘肃省天水市人，甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，工程师，硕士研究生，研究方向：钢桥及组合结构桥梁。