鋁合金在世界范圍內(nèi)新建或橋梁維修中的應(yīng)用已經(jīng)有了很長(zhǎng)時(shí)間的歷史。相比較而言, 我國(guó)在該方面的研究基本上還是處于空白狀態(tài)。本文研究了鋁合金材料的材料力學(xué)特性, 詳細(xì)分析了鋁合金應(yīng)用于橋梁的優(yōu)點(diǎn), 回顧了世界范圍內(nèi)鋁合金橋梁的發(fā)展歷程并對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述, 最后討論了鋁合金在橋梁中的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
1 鋁合金的材料力學(xué)特性
主要力學(xué)性能指標(biāo)
目前, 目前用于建造或修復(fù)鋁合金橋梁的鋁合金有多種如6061-T6型鋁合金和
應(yīng)力- 應(yīng)變曲線
單向拉伸試驗(yàn)表明, 鋁合金材料存在明顯的線彈性階段; 當(dāng)拉應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度時(shí), 材料的彈性模量急劇降低, 但沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似低碳鋼的屈服平臺(tái)而是直接進(jìn)入了強(qiáng)化階段。圖1 是實(shí)測(cè)得到的兩條鋁合金材料的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線。可以看出, 鋁合金材料的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性連續(xù)性, 這與鋼材有所不同, 必須采用更為復(fù)雜的模型才能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的精確分析。
重量輕、比強(qiáng)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(qiáng)度比一般常用的碳素鋼的強(qiáng)度還要高。如6061-T6 型鋁合金的屈服強(qiáng)度為245MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)265MPa, 已超過(guò)Q235 鋼的強(qiáng)度指標(biāo)。高強(qiáng)度鋁合金型材, 如70XX-T6 系列的屈服強(qiáng)度可達(dá)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(jié)構(gòu)可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重。由于橋梁的上部結(jié)構(gòu)較輕, 不但減輕了施工強(qiáng)度, 縮短施工周期而且對(duì)基礎(chǔ)的要求降低, 減少了下部結(jié)構(gòu)的建造費(fèi)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(xué)性能。
我 國(guó)《鋁合金建筑型材 》(GB5237- 2000) 、現(xiàn)行美國(guó)鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和歐洲規(guī)范給出的相同類(lèi)型鋁合金材料主要力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)下表。文獻(xiàn)[5]實(shí)測(cè)得到的鋁合金材料材性指標(biāo)值也見(jiàn)表中。可以看出, 各規(guī)范給出的鋁合金材料主要力學(xué)性能指標(biāo)值差別不大( 如表1）。
上式中, n 是一個(gè)描述材料應(yīng)變硬化的參數(shù), 由材料試驗(yàn)確定, 一般情況下可以用Steinhardt給出的近似表達(dá)式確定:
2 鋁合金材料應(yīng)用于橋梁工程的優(yōu)點(diǎn)
與混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建筑材料相比, 鋁合金具有下列優(yōu)點(diǎn)。
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(hù)費(fèi)用; 在鋼筋混凝土橋面板和鋁合金構(gòu)件起組合作用的情況下, 由于鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)(22×10-6)比鋼筋混凝土大, 所以在寒冷的環(huán)境下鋁合金材料的收縮可以使混凝土中產(chǎn)生的微裂縫趨于封閉, 使得水分和氯化物無(wú)法侵入, 從而保護(hù)
了鋼筋。
由于重量輕, 鋁合金橋梁大多采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法, 其預(yù)制、運(yùn)輸以及安裝過(guò)程簡(jiǎn)單, 時(shí)間短, 費(fèi)用較低, 能夠適應(yīng)符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)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(qiáng)度反而有所增加且無(wú)低溫脆性問(wèn)題, 因此可以用于制造寒冷地區(qū)的橋梁。
在現(xiàn)有橋梁的維修加固時(shí), 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(huán)境保護(hù), 符合可持續(xù)發(fā)展要求。
目前, 鋁合金材料的價(jià)格高于鋼材, 但是其較低的制造、運(yùn)輸、安裝費(fèi)用和較短的時(shí)間、低廉的維護(hù)費(fèi)用可以彌補(bǔ)其原始材料價(jià)格上的劣勢(shì)。當(dāng)鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)采用
