铝合金在世界范围内新建或桥梁维修中的应用已经有了很长时间的历史。相比较而言, 我国在该方面的研究基本上还是处于空白状态。本文研究了铝合金材料的材料力学特性, 详细分析了铝合金应用于桥梁的优点, 回顾了世界范围内铝合金桥梁的发展历程并对其现状进行了阐述, 最后讨论了铝合金在桥梁中的应用需要进一步研究的问题。
1 铝合金的材料力学特性
主要力学性能指标
目前, 目前用于建造或修复铝合金桥梁的铝合金有多种如6061-T6型铝合金和
应力- 应变曲线
单向拉伸试验表明, 铝合金材料存在明显的线弹性阶段; 当拉应力接近屈服强度时, 材料的弹性模量急剧降低, 但没有出现类似低碳钢的屈服平台而是直接进入了强化阶段。图1 是实测得到的两条铝合金材料的应力- 应变曲线。可以看出, 铝合金材料的应力- 应变曲线呈现非线性连续性, 这与钢材有所不同, 必须采用更为复杂的模型才能实现对铝合金结构的精确分析。
重量轻、比强度高。铝合金材料的密度为2.7g/cm3 , 大致为钢材的三分之一, 而常用的6000 系列铝合金材料的强度比一般常用的碳素钢的强度还要高。如6061-T6 型铝合金的屈服强度为245MPa,抗拉强度可达265MPa, 已超过Q235 钢的强度指标。高强度铝合金型材, 如70XX-T6 系列的屈服强度可达300MPa, 甚至500MPa以上。因此, 采用铝合金代替钢材或者混凝土建造桥梁结构可以大大减轻结构自重。由于桥梁的上部结构较轻, 不但减轻了施工强度, 缩短施工周期而且对基础的要求降低, 减少了下部结构的建造费用。
铝合金材料具有良好的耐腐蚀性能, 铝合金在大气的影响下, 其表面能够自
主要介绍工程中比较常用的6061-T6型铝合金的材料力学性能。
我 国《铝合金建筑型材 》(GB5237- 2000) 、现行美国铝合金结构设计规范和欧洲规范给出的相同类型铝合金材料主要力学性能指标见下表。文献[5]实测得到的铝合金材料材性指标值也见表中。可以看出, 各规范给出的铝合金材料主要力学性能指标值差别不大( 如表1）。
上式中, n 是一个描述材料应变硬化的参数, 由材料试验确定, 一般情况下可以用Steinhardt给出的近似表达式确定:
2 铝合金材料应用于桥梁工程的优点
与混凝土和钢材等传统建筑材料相比, 铝合金具有下列优点。
然地形成一层氧化层。这种氧化层可以在很大程度上防止铝合金材料的腐蚀, 这种良好的耐腐蚀性可极大地减少桥梁的防腐和维护费用; 在钢筋混凝土桥面板和铝合金构件起组合作用的情况下, 由于铝合金材料的热膨胀系数(22×10-6)比钢筋混凝土大, 所以在寒冷的环境下铝合金材料的收缩可以使混凝土中产生的微裂缝趋于封闭, 使得水分和氯化物无法侵入, 从而保护
了钢筋。
由于重量轻, 铝合金桥梁大多采用工厂预制、现场安装的方法, 其预制、运输以及安装过程简单, 时间短, 费用较低, 能够适应符合现代施工技术的工业化要求。
铝合金材料具有良好的低温性能, 随着温度的降低, 其强度反而有所增加且无低温脆性问题, 因此可以用于制造寒冷地区的桥梁。
在现有桥梁的维修加固时, 可以以较小的重量增加较大的承载力, 提高桥梁承受活荷载的比例。
铝合金材料易于回收, 再处理成本低、再利用率高, 有利于环境保护, 符合可持续发展要求。
目前, 铝合金材料的价格高于钢材, 但是其较低的制造、运输、安装费用和较短的时间、低廉的维护费用可以弥补其原始材料价格上的劣势。当铝合金桥梁结构采用
