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卡斯特橋梁，專業(yè)締造精品
窄窄的，長長的，彎彎的，高高的。一個全新橋型，抗十幾級臺風，通過時速120公里鐵路貨運。996米連續(xù)鋼桁梁，寬僅為15米，其上是兩座跨徑360米的半月型拱肋，拱頂距水面100米。洪奇瀝大橋就這樣橫跨在寬闊的水道上，亦剛亦柔，如詩如畫。 洪奇瀝大橋是在建南沙港鐵路大橋之一。南沙港鐵路則是粵港澳大灣區(qū)重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，是目前廣州南沙自貿(mào)區(qū)唯一一條在建鐵路，全長87.788公里，設(shè)計時速120公里。 2019年8月25日10時18分，洪奇瀝大橋上兩個半月型拱肋完成合龍，精度達毫米級，成功將鋼桁梁柔性拱結(jié)構(gòu)橋梁跨徑提高到360米，創(chuàng)目前世界連續(xù)鋼桁梁柔性拱鐵路橋最大跨，合龍精度亦為世界之最！ 那么，洪奇瀝特大橋的“新”有哪些？“首先是設(shè)計新�！辫F四院設(shè)計總體夏正春說，設(shè)計洪奇瀝大橋，除實用性外，還特別強調(diào)與阡陌縱橫的水道融為一體。既要柔美、抗臺風，還要承受巨大的鐵路荷載�！翱箾_擊力強的鋼桁梁柔性拱是最佳設(shè)計。”夏正春說，這樣可以將剛性梁和柔性拱巧妙結(jié)合起來，形成強勁的承載體系，充分發(fā)揮鋼桁梁剛度大和拱肋受壓的性能。 然而，因為洪奇瀝特大橋要橫跨兩個水道的交匯處，河面寬闊，必須用大跨徑柔性拱，設(shè)計2x360米跨徑才能滿足要求。而此前，世界最大同類結(jié)構(gòu)橋梁為廈深鐵路榕江特大橋，跨徑220米。既要大型柔性鋼拱跨，又要保證時速120公里重載鐵路貨運，按已有技術(shù)，只能加大橋梁連續(xù)鋼桁梁的用鋼。如此，不僅要加大橋梁本身的重量，還要推高建設(shè)成本。 如何減少橋梁自重？設(shè)計人員將目光盯上橋面上的道砟，創(chuàng)出第二個“新”，即新型混凝土軌道板。相比無砟，有砟經(jīng)濟性強，但重量很大，以往只在時速250公里的客運，才用無砟軌板，低速鐵路一般采用有砟軌面�！盀樽尭咚倭熊図樌退龠^橋，又不加重橋梁基礎(chǔ)負擔，中國國家鐵路集團有限公司依托洪奇瀝大橋，專門列出科技研究開發(fā)計劃課題，即《板式軌道無砟橋面鋼桁梁柔性拱橋關(guān)鍵技術(shù)研究》，研制出經(jīng)濟適用的輕型板式軌枕�！毕恼和嘎�，這一技術(shù)成果直接節(jié)約成本9000萬元。采用新型混凝土軌道板，不僅是大跨度橋梁橋面系的嘗試，也豐富了橋面系的形式。 如何對沖橋梁柔性帶來的巨幅震動？這便是設(shè)計的第三個“新”。鐵四院在橋梁軌枕板底部粘貼了橡膠墊層，緩沖隔離，減小鋼梁振動�！盀楸阌诰S修，軌枕板與鋼桁梁采用螺栓連接，也用橡膠墊進行隔離。”夏正春說。 為精準完成洪奇瀝大橋鋼桁梁合龍，鐵四院根據(jù)合龍口的姿態(tài)，結(jié)合溫度等環(huán)境條件進行了精準仿真計算，將合龍精度控制在5毫米內(nèi)�！耙劳羞@一項目特點，申請國家專利11項、發(fā)表論文8篇。”夏正春說。 南沙港鐵路預(yù)計2020年建成通車，屆時，南沙港集裝箱班列將直達歐洲。
近年來，在政府的高度重視和相關(guān)部門的支持配合下，道路的基礎(chǔ)安全設(shè)施在不斷的提升和完善。越來越多的道路根據(jù)需求對應(yīng)安裝了隔離護欄、防撞護欄等交安設(shè)施，有的人流量大的道路還架起了過街天橋。這些交通安全基礎(chǔ)設(shè)施的完善，極大的方便了人們的出行，提高了交通安全指數(shù)，改善了交通秩序和城市風貌。 事實證明，安裝了相應(yīng)護欄和過街天橋等后，道路上發(fā)生的交通事故明顯減少了，交通效率也得到顯著提升。增加隔離護欄后，車輛亂掉頭、亂停車、亂變更車道等現(xiàn)象減少了；用護欄對人行、車道進行有效隔離后，人車混行的亂象也基本得到了有效遏制。行人、車輛各行其道，減少了交通安全隱患。 當然，隨著社會的不斷發(fā)展和進步，道路護欄在保障安全性能的基礎(chǔ)上也在不斷提升其景觀性。護欄顏色和樣式的多變性，不斷的打破人們對傳統(tǒng)護欄的看法，真正做到與周邊環(huán)境相和諧統(tǒng)一。護欄的材質(zhì)也從過去的石材、鐵藝、不銹鋼等逐漸變化，鋁合金材質(zhì)的護欄逐漸進入大家的視線和生活。鋁合金護欄因為其獨特的性能優(yōu)點逐漸被人們接受和喜愛，不管是在景觀護欄還是防撞護欄方面，鋁合金材質(zhì)都獨樹一幟，其極高的可回收性也響應(yīng)了社會綠色環(huán)保的號召，成為展示城市交通設(shè)施安全、文明、環(huán)保的新名片！
2018年10月28日上午10時08分，重慶市萬州區(qū)一輛公交車與一輛小轎車在萬州區(qū)長江二橋相撞后，公交車墜入江中，此次事故造成了15條鮮活生命的逝去。事故發(fā)生后，橋梁護欄不僅內(nèi)側(cè)的防撞梁被撞斷一大截，外側(cè)護欄也被撞掉了三四片。在對事故原因進行調(diào)查的同時，關(guān)于橋梁護欄的安全性能等問題也迅速進入大家的討論話題。 由于既有橋梁的建設(shè)年代不同、防護等級不同，部分橋梁交通安全設(shè)施不完善，有的可能已經(jīng)存在較大的安全隱患，對公路橋梁的安全防護設(shè)施進行提升改造已刻不容緩。 人行護欄應(yīng)該具有保護行人安全、防止跌落危險的功能，其采用的制作材料必須堅固、耐久性好，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須安全可靠。當然，在確保安全性能的基礎(chǔ)上，可對護欄進行景觀性設(shè)計，使其造型、色調(diào)等與周邊環(huán)境更加協(xié)調(diào)。 防撞護欄應(yīng)具有阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能，需要具有足夠的強度、韌性，并與橋梁主體結(jié)構(gòu)可靠連接。所有的護欄都要經(jīng)過實車的碰撞試驗，確保當護欄經(jīng)受強烈的車輛撞擊后即使扭曲變形，但不會斷開。不管車輛從哪個角度撞擊，都不會沖出護欄墜落橋外。 護欄防撞等級是根據(jù)道路等級、設(shè)計速度和事故嚴重程度等級來確定的。不同的等級由不同代碼表示，防撞護欄的防護等級按防護能量劃分為八級，見下表。 如果交通事故的最后一道防線——護欄的安全性能存在不足，很容易發(fā)生車輛越過護欄的情況，從而引發(fā)惡性事故。 卡斯特橋梁SS級鋁合金防撞護欄實車碰撞試驗 實車碰撞試驗后的SS級鋁合金防撞護欄現(xiàn)場圖片
鋁合金之所以在橋梁中得到廣泛的應(yīng)用，主要是其具有較多鋼和混凝土結(jié)構(gòu)所不可匹敵的優(yōu)點。正確認識鋁合金的性能特點不但能夠認清其在橋梁上得到廣泛應(yīng)用的原因，而且能夠為鋁合金橋梁的設(shè)計給予幫助�！∫弧⑽锢�、化學、力學性能�。�1）密度：鋁合金的密度約為鋼的1/3左右，具有較高的比強度，有利于橋梁的減重，提高橋梁的負載能力�！。�2）熱膨脹系數(shù)：鋁合金的線熱膨脹系數(shù)為1.881×10-5/℃~2.360×10-5/℃，約為鋼和混凝土結(jié)構(gòu)的2倍，因此，在設(shè)計使用中必須注意熱脹冷縮帶來的尺寸影響�！。�3）耐蝕性：鋁合金能夠在自然條件下形成氧化膜，對內(nèi)部材料形成保護，具有良好的耐蝕性，無需進行表面涂層防護，因此具有高的服役壽命和低的維護費用。據(jù)有關(guān)文獻報道，在高鹽含量與污染物環(huán)境下，鋁材料、耐候鋼和低碳鋼的厚度腐蝕速率分別為0.0194mm/年、0.81mm/年和2.19mm/年�！。�4）強度：與低碳結(jié)構(gòu)鋼相比，常用5系和6系鋁合金的抗拉強度和屈服強度在110-350MPa間，力學性能可觀，而且隨著技術(shù)水平的提高，更高強度鋁合金材料的研發(fā)成為可能�！。�5）焊接性能：與鋼相比，鋁合金焊合區(qū)力學性能損失較大，但通過優(yōu)化焊接工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計可進行有效地彌補，如攪拌摩擦焊能夠很好地將鋁合金進行焊接并使焊合區(qū)力學性能保持或提高�！。�6）疲勞性能：鋁合金的疲勞強度低于鋼，最初設(shè)計規(guī)定為鋼疲勞強度的1/3，但鋁合金可通過擠壓加工實現(xiàn)整體成形，避免焊接導(dǎo)致的疲勞強度降低，而且可使局部壁厚增大，從而降低應(yīng)力的影響�！。�7）韌性：鋁合金具有高韌性和低塑性斷裂抗力，與鋼相比，無明顯低溫塑性-脆性轉(zhuǎn)變特性，這一特點使其在某些低溫環(huán)境下應(yīng)用非常有優(yōu)勢�！《�、經(jīng)濟性、環(huán)境影響特性　　鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁造價雖然約為鋼或混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的兩倍甚至更高，但其可加工性強，加工費用低，維護費用低，服役周期長，總體費用算來，與傳統(tǒng)鋼或混凝土結(jié)構(gòu)橋梁費用持平或略低。　　鋁合金良好的耐蝕性無需定期的噴漆防腐維護，一定程度上減少了對環(huán)境的危害；整體結(jié)構(gòu)組裝可大大縮短施工周期，縮短交通恢復(fù)期限；鋁合金回收能耗僅電解鋁的5%，可循環(huán)再次利用率大，回收率可達到90%以上(是鋼材回收率的5倍以上)，基本和鋁錠價格差異不大，是典型的綠色環(huán)保材料。
鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁自在國外興起以來，得到了較為廣泛的推廣、研究和應(yīng)用，其應(yīng)用在國外已趨于成熟。雖然鋁合金橋梁在國內(nèi)的起步比較晚，但是應(yīng)用也穩(wěn)步前進。其廣闊的發(fā)展前景可以從以下幾點來分析：（1）傳統(tǒng)觀念的更正：有研究對比了鋁橋、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁的造價、維護費用、使用壽命、環(huán)境影響等因素，而且越來越多的工程實例也證實了鋁合金的高造價金額可通過后期低維護費用等加以彌補。同時，也使國內(nèi)外橋梁工程師對鋁合金和鋁型材的認識越來越深入。 （2）標準和規(guī)范：國內(nèi)外有關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計標準和規(guī)范正在不斷建立和完善中。國外的鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范較多，而且更新也比較及時，如加拿大【CSA-S157】、歐洲規(guī)范【鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計】、美國的【鋁合金設(shè)計手冊】。鋁橋設(shè)計規(guī)范包括：美國的【AASHTO高速公路橋設(shè)計規(guī)范】、加拿大【高速公路橋設(shè)計規(guī)范（CAN/CSA-S6）】等。國內(nèi)雖然對鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究較晚，但發(fā)展也比較迅速，目前有《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50429-2007）、上海市《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》等。 （3）技術(shù)、合金及其性能研究：國內(nèi)外對鋁橋面板的研究已經(jīng)較為成熟，而且應(yīng)用也較為廣泛。不斷提高的材料研發(fā)水平，也為研發(fā)滿足不同性能要求的新合金提供了技術(shù)保證。自20世紀末興起的攪拌摩擦焊也為鋁型材的性能保持提供了技術(shù)支持，使鋁型材在鋁橋面板、船舶甲板等方面的應(yīng)用成為可能。在國內(nèi)，2012年政府相繼出臺了《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、《有色金屬工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《鋁工業(yè)“十二五”發(fā)展專項規(guī)劃》。 （4）鋁擠壓行業(yè)的快速發(fā)展：由于鋁型材的眾多優(yōu)點，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國工業(yè)鋁型材占鋁型材總應(yīng)用量約30%；同期歐洲、北美和日本的鋁型材消費結(jié)構(gòu)中，工業(yè)耗用比例分別達到為60%、55%和40%。但未來幾年內(nèi)，在市場主導(dǎo)和政府引導(dǎo)的共同作用下，將逐步向工業(yè)型材轉(zhuǎn)型。 此外，鋁型材本身擁有的眾多特性也將成為其在橋梁上廣泛應(yīng)用的重要砝碼。為了緩解國內(nèi)越來越引人關(guān)注的交通壓力，同時滿足地鐵建設(shè)要求的低地上壓力的要求，更多的鋁合金人行天橋、鋁合金公路橋?qū)辉O(shè)計使用。人們對鋁合金的認識越來越深入，鋁合金及鋁橋設(shè)計規(guī)范不斷完善，新材料、新合金、新技術(shù)發(fā)展迅速，鋁合金擠壓技術(shù)不斷升級，國家政策的大力支持，這些都將為鋁型材在橋梁上的應(yīng)用推波助瀾，為其廣闊的發(fā)展前景提供保障。
由于鋁合金具有密度小、強重比高、耐腐蝕、焊接性能好、維護費用低及可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點，在橋梁工程中越來越引起人們的興趣和重視，鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁成為橋梁建設(shè)的一種趨勢。憑借鋁合金優(yōu)異性能和國外實踐經(jīng)驗，鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在我國必將得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 國外鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展概況 世界第一座全鋁合金橋梁建于1949年，跨越加拿大魁北克省阿爾維達塞右奈河上，該橋全長153m，寬9.75m，主跨長88.4m,拱高14.5m，在主跨兩側(cè)有幾跨6.1m的連接孔，整個結(jié)構(gòu)由2014-T6鋁合金制成，到目前為止是世界上最長的鋁橋。 1949年英國薩色蘭郡建造歐洲第一座鋁橋，從1949年-1985年，歐洲又建了35座鋁橋。 荷蘭建成一些可移動鋁橋，其中最著名的阿姆斯特丹Riekerhaven橋，于2003年3月投入使用，是一座活動結(jié)構(gòu)橋梁,在2003年贏得了歐洲鋁行業(yè)獎。 我國鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展概況 杭州市慶春路中河人行天橋是我國首座鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁，2007年3月建成，由外資公司承建，所有鋁合金型材均從國外進口，主材為6082-T6鋁合金。 上海徐家匯人行天橋工程是國內(nèi)首座完全自主設(shè)計、自行生產(chǎn)、自行建造的鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁，主材為6061-T6鋁合金。2007年9月29日在徐家匯漕溪北路投入運行，總工期僅僅37天。 北京市西單商業(yè)區(qū)人行天橋工程是北京市迎奧運重點工程，與2008年7月20日投入試運行。鋁合金上部結(jié)構(gòu)為外資公司承建，主要鋁合金型材均為國內(nèi)生產(chǎn)，為6082-T6鋁合金型材。鋁合金步道等附件從國外進口，為6005-T6鋁合金。目前是世界上最大的高強鋁合金天橋。
鋁合金人行天橋結(jié)構(gòu)輕盈、樣式美觀，橋梁表面光潔，有利于城市景觀多樣化的發(fā)展；鋁合金天橋的使用壽命長，耐臟耐舊，材料回收處理成本低，綠色環(huán)保;與此同時，鋁合金天橋還具有防腐性能好、免維護等特點，后期養(yǎng)護和維修成本極低。 近年來隨著我國產(chǎn)能過剩問題日益凸顯，鋁合金型材市場交投不佳，氛圍較淡，上游支撐略堅，下游需求不足，市場現(xiàn)貨成交有限，對價格缺乏有力支撐，場內(nèi)認識心態(tài)不佳，鋁合金天橋的產(chǎn)業(yè)間接拉動了下游市場需求。 鋁合金天橋從重量、環(huán)保、維護等都要優(yōu)于鋼鐵結(jié)構(gòu)橋梁，未來市場替代空間很大。 鋁的優(yōu)勢是傳統(tǒng)鋼鐵無法比擬的，相同體積強度，鋁的質(zhì)量只有鋼的三分之一，而且鋁合金耐腐蝕性更強，每年維護費用降低90%，而且天橋使用壽命到期后，鋁合金橋梁可以全部回收利用。目前國內(nèi)每年計劃新建、改建天橋大約500座，市場潛力巨大。 但是從目前我國鋁合金人行天橋整體應(yīng)用規(guī)�？�，我國鋁合金人行天橋還處于起步階段，目前鋁合金人行天橋在我國建設(shè)還非常少。 從現(xiàn)有人行天橋總體來看，主要建設(shè)還是處于商業(yè)密集區(qū)人行流量較大以及城市干道。從目前政府建設(shè)情況來看，人行天橋主要分布城市干道上方，人流密集商業(yè)區(qū)以及連廊。 從需求看，城市中心區(qū)商業(yè)區(qū)對鋁合金人行天橋需求稍大，主要受施工進度、美觀度及環(huán)保方面影響，城市中心施工有嚴格的時間及噪音限制，對工程進度有著嚴格限制，鋁合金人行天橋無論在輕質(zhì)、高強、耐久、工期短以及低維護等方面都比鋼橋具有明顯優(yōu)勢。 目前全球高附加值鋁延壓材產(chǎn)品的消耗占鋁材消耗總量的33%，中國的比例僅為12%，遠低于全球水平。目前國內(nèi)高端鋁壓延材市場仍處于起步階段，主要依賴進口滿足市場所需。 中國交通的‘輕量化’剛剛起步，本土市場發(fā)展空間巨大，了解中國市場的中國企業(yè)大有可為。
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