王繼全

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0　引言

跨徑與美學(xué)是橋梁工程師不斷追求的目標(biāo)。二者也是衡量橋梁建設(shè)水平和技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)。制約橋梁發(fā)展的最大因素是材料，一種新型材料的興起，往往會(huì)掀起一場(chǎng)橋梁建設(shè)的革命?；炷?、預(yù)應(yīng)力、鋼材是橋梁建設(shè)的三次革命。當(dāng)前，橋梁工程師開(kāi)始尋求自重更輕且強(qiáng)度高，耐腐蝕性好的新型材料，其中代表性的工程材料有：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鋁合金材料。鋁合金由于輕盈、高強(qiáng)、耐腐蝕以及現(xiàn)代感強(qiáng)，具有其他建材不可替代的優(yōu)點(diǎn)。歐美國(guó)家20世紀(jì)30年代已開(kāi)始將鋁合金材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，1933年，美國(guó)匹茲堡Smith field街橋使用鋁合金橋面板替代原有的橋面板，這是世界上鋁合金材料第一次應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）；1950年加拿大建成的塞右奈河大橋?yàn)樯铣惺焦皹颍骺?8.4 m，主拱、拱上立柱、橋面板等全部采用鋁合金結(jié)構(gòu)，到目前為止是世界上最長(zhǎng)鋁合金橋梁[1]（見(jiàn)圖2）。歐美建造的主要鋁合金橋梁見(jiàn)表1。

鋁合金橋梁在我國(guó)發(fā)展相對(duì)較晚，2007由同濟(jì)大學(xué)沈祖炎院士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的上海徐家匯鋁合金人行天橋是我國(guó)修建的第一座鋁合金橋梁（見(jiàn)圖3）。2008年建成了北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋，2013年建成了杭州市新解百“口”字形鋁合金人行天橋（見(jiàn)圖4），我國(guó)正在往大跨度鋁合金橋梁方向發(fā)展[2]。

圖1　美國(guó)匹茲堡Smithfield街橋

圖2　加拿大的塞右奈河大橋

某地一跨江人行橋工程，受制于老橋及通航影響，跨徑布置為105 m+97 m，考慮景觀(guān)效果，推薦鋼結(jié)構(gòu)-鋁合金桁架結(jié)構(gòu)體系，桁高6 m（見(jiàn)圖 5）。

1　計(jì)算分析

經(jīng)過(guò)前期方案比選，該人行橋最終確定采用桁架結(jié)構(gòu)體系，為使功能與景觀(guān)統(tǒng)籌兼顧，對(duì)比分析全橋鋼結(jié)構(gòu)、全橋高強(qiáng)鋁以及鋼-鋁組合三種方案。

橋梁概述：專(zhuān)用景觀(guān)人行橋，凈寬5 m，跨徑布置105 m+97 m，桁高統(tǒng)一采用6 m。

約束條件：順橋向中墩固定，邊墩自由。

桁架材料：鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qD，高強(qiáng)度鋁采用6082-T6[3]。

計(jì)算采用有限元結(jié)構(gòu)專(zhuān)用分析與設(shè)計(jì)軟件MIDAS/Civil 2015版,建立空間結(jié)構(gòu)模型。桁架桿件以梁?jiǎn)卧M（見(jiàn)圖6～圖8）。三種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表1　歐美建造的主要鋁合金橋梁

圖3　上海徐家匯人行天橋

圖4　杭州新解百人行天橋

圖5　鋼-鋁組合桁架人行橋效果圖

圖6　結(jié)構(gòu)立面布置圖

圖7　全橋鋼結(jié)構(gòu)/全橋高強(qiáng)度鋁空間計(jì)算模型

圖8　鋼-鋁組合空間計(jì)算模型

表2　三種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)組合包含自重、人群活載、風(fēng)荷載、溫度等，采取容許應(yīng)力法計(jì)算。頻率主要考慮與舒適性相關(guān)的豎向頻率。鋼鋁組合依據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律，中支點(diǎn)拉應(yīng)力較大處改為鋼結(jié)構(gòu)。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，三種方案的剛度及整體穩(wěn)定均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。而強(qiáng)度差別很大，分析如下：

（1）全橋采用鋼結(jié)構(gòu)體系，中支點(diǎn)處出現(xiàn)最大應(yīng)力的桿件，板厚已加厚至40 mm，應(yīng)力仍達(dá)到230 MPa。若想達(dá)到理想狀態(tài)，桁高需10 m，增加桁高的同時(shí)，自重及風(fēng)荷載也同步增加，較高的桁高，景觀(guān)效果亦不能達(dá)到要求。

（2）全橋采用高強(qiáng)鋁結(jié)構(gòu)體系，因高強(qiáng)鋁6082-T6自重僅為鋼材的1/3，所以中支點(diǎn)處最大應(yīng)力大幅下降，為131 MPa，雖已在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但型材已用到500 mm×500 mm的尺寸，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的最大型材為460 mm×460 mm，且僅用在局部范圍[4]，所以在原材的質(zhì)量控制上很難保證。雖然自重減輕了，但由于鋁的彈性模量也僅為鋼材的1/3，所以其在荷載作用下的撓度變形較大。

（3）鋼-鋁組合體系，這種兩跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力主要位于中支點(diǎn)處，其跨中應(yīng)力僅為支點(diǎn)處的一半左右，所以從鋼鋁各自的特點(diǎn)考慮，我們可以在應(yīng)力較大的范圍采用鋼結(jié)構(gòu)，為了控制應(yīng)力限值，鋼材板厚及材質(zhì)均可提高，厚板及Q345、Q370、Q420等施工工藝已經(jīng)非常成熟。在中支點(diǎn)之外的范圍可以采用高強(qiáng)鋁材，且截面采用300 mm×300 mm即可達(dá)到理想狀態(tài)。

2　鋼鋁連接處理

異種金屬連接是一項(xiàng)技術(shù)難題，可分為焊接與機(jī)械連接。

眾所周知，F(xiàn)e與Al的晶體結(jié)構(gòu)、物理及化學(xué)性質(zhì)相差懸殊，造成鋁及鋁合金與低碳鋼、不銹鋼的焊接性很差，集中體現(xiàn)在：Al有較強(qiáng)的化學(xué)活性，材料表面極易形成穩(wěn)定面致密的氧化膜，同時(shí)焊接過(guò)程中因氧化造成接頭內(nèi)產(chǎn)生夾雜物，破壞了接頭的連續(xù)性和整體性；連接界面易生成脆性的金屬間化合物，造成接頭出現(xiàn)嚴(yán)重脆化現(xiàn)象；物理性能相差較大，易引發(fā)較大的焊接應(yīng)力。目前鋼鋁焊接方法主要有壓焊（滾焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊等）、釬焊、熔焊、熔-釬焊等四大類(lèi)：壓焊可以較好的控制兩種材料間的脆性層的厚度，防止脆化現(xiàn)象，但是對(duì)材料的尺寸有所限制，而且加工效率較低，不適合于大批量生產(chǎn)；釬焊可有效地阻擋鋁、鐵等原子擴(kuò)散，抑制金屬間化合物的生成，保證接頭強(qiáng)度，但釬料很難把握，焊接效率較低；熔焊方法效率高，工藝上比較靈活，但是金屬間化合物層不可避免；而激光熔-釬焊方法既易于控制焊接熱輸入，又能較好的控制鋼鋁金屬間脆性物質(zhì)層，是一種極具前景的焊接工藝[5]。

另外，鋼鋁連接亦可采用鋼鋁復(fù)合材料，即在鋼結(jié)構(gòu)上焊接鋁鋼條的鋼面，在鋁結(jié)構(gòu)上焊接鋁鋼條的鋁面，不僅可大大提高節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量，而且維護(hù)方面，目前在造船業(yè)已得到廣泛使用。

鋼鋁金屬機(jī)械連接主要指栓接，通過(guò)異種金屬間設(shè)置絕緣墊、螺栓與母材間設(shè)置金屬墊圈、螺栓鍍絕緣漆等方式，避免兩種金屬直接接觸，消除電解腐蝕的問(wèn)題，保證結(jié)構(gòu)耐久性。

3　舒適性分析

通過(guò)動(dòng)力特性分析，鋼-鋁組合體系一階豎彎頻率為1.32 H z（見(jiàn)圖9），落在了行人人步頻敏感范圍之內(nèi)（豎向一階在1.25～2.3 H z），且不滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)人行橋豎彎頻率3 H z的要求，需進(jìn)行舒適性措施研究。

通過(guò)數(shù)值模擬分析，得到了各工況下主梁人致振動(dòng)加速度時(shí)程結(jié)果，豎向一階步行荷載作用下，對(duì)應(yīng)振型最大加速度峰值加速度為第1階的3.989 3 m/s2（見(jiàn)圖10）。根據(jù)德國(guó)人行橋設(shè)計(jì)指南EN03（2007）吸收了2000年以來(lái)新的研究成果，采取行人承受的峰值加速度限值的方法規(guī)定舒適性等級(jí)，判定該橋舒適性等級(jí)為CL4級(jí)（即“不可接受”等級(jí)）。

圖9　成橋階段第1階豎彎振型圖

圖10　第42節(jié)點(diǎn)豎向加速度時(shí)程圖

人致震動(dòng)控制措施通過(guò)安裝TM D（調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)反復(fù)調(diào)試阻尼器的大小，最終選擇在105 m及97 m的跨中各安裝一個(gè)5.2 t的TM D，可使得加速度峰值降為0.372 1 m/s2，舒適性等級(jí)為CL1級(jí)（即“最佳”）。

4　結(jié)語(yǔ)

本橋梁采用鋼-鋁組合方式相對(duì)全橋采用鋁合金節(jié)省造價(jià)20%左右，通過(guò)在應(yīng)力集中區(qū)采用常規(guī)材料，使安全得到保障；通過(guò)異種金屬連接研究，使鋼-鋁組合點(diǎn)得到保障；通過(guò)增加TM D措施，使行人舒適性得到保障。

該大跨徑鋼-鋁組合人行橋的設(shè)計(jì)為橋梁工程師們開(kāi)拓了一種新的思路，組合體系可以充分利用兩種材料的性能，使結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足安全的同時(shí)，可以做的更加經(jīng)濟(jì)、輕盈、美觀(guān)，大大提高景觀(guān)效果，是值得大家繼續(xù)探索的一個(gè)廣闊領(lǐng)域。