本文編譯自《Light Metal Age》

Langenuen大橋是挪威正在建造的一個(gè)大型鋁橋項(xiàng)目（來(lái)源：海德魯）

多年以來(lái)，鋁已用于各個(gè)行業(yè)。對(duì)于大多數(shù)人而言，在各種日常產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)鋁材已是司空見(jiàn)慣的事情。然而，許多人可能沒(méi)有意識(shí)到的是，鋁可以在橋梁結(jié)構(gòu)中取代其它材料，并具有施工方便、延長(zhǎng)橋梁使用壽命以及降低維護(hù)成本的優(yōu)勢(shì)。

鋁在橋梁上已經(jīng)使用了大約80年，所以它確實(shí)有歷史。但說(shuō)實(shí)話(huà)，它的故事一直很零散。然而，隨著國(guó)際合作的不斷加強(qiáng)，正在制定更好的解決方案。加拿大和挪威的新項(xiàng)目正在為鋁行業(yè)，尤其是擠壓鋁材行業(yè)帶來(lái)契機(jī)。其它項(xiàng)目正在考慮標(biāo)準(zhǔn)化使用鋁的橋梁設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新的人行天橋和車(chē)輛橋，并更換老化的基礎(chǔ)設(shè)施。如今，來(lái)自世界各地的行業(yè)專(zhuān)家正在努力展示鋁的價(jià)值，并擴(kuò)大其在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

背景

賓夕法尼亞州匹茲堡的Smithfield街大橋建于1933年，有鋁制欄桿和鋁制橋面。這是首次報(bào)道在橋梁中使用結(jié)構(gòu)鋁。

從那時(shí)起，可參考的鋁橋梁的數(shù)量一直很少。最著名的可能是加拿大的Arvida大橋，位于魁北克市以北約120英里處，被稱(chēng)為土木工程的杰作。1950年建成后，它也成為世界上第一座完全用鋁建造的公路橋。這座153米長(zhǎng)的拱橋至今仍屹立不倒，由于耐腐蝕，其維修僅限于更換混凝土橋面和幾個(gè)鋁構(gòu)件。該橋的主要鋁部件不需要任何維護(hù)。

加拿大的Arvida大橋

然而，在經(jīng)歷了65年之后，下一座鋁制車(chē)輛運(yùn)輸橋才得以建成。魁北克省的Saint-Ambroise大橋于2015年安裝，由鋼梁上的鋁橋面組成。盡管很少有代表性的例子，但在橋梁中使用鋁具有令人難以置信的潛力。

利用鋁

為什么未來(lái)的橋梁會(huì)含有更多的鋁？AluQuébec的顧問(wèn)Mario Fafard博士擁有數(shù)值建模博士學(xué)位，曾任魁北克拉瓦爾大學(xué)教授，他列舉了幾點(diǎn)。鋁是加速施工和安裝的理想選擇，與其他材料（使用可再生能源生產(chǎn)時(shí)）相比，鋁的碳足跡更低，并且由于其對(duì)大氣腐蝕的高抵抗力，與混凝土、鋼和木材設(shè)計(jì)相比，鋁降低了維護(hù)成本。但鋁的輕質(zhì)是關(guān)鍵因素。在同等剛度下，鋁橋的重量比鋼橋輕兩倍，比混凝土橋輕四倍。輕型橋面減少了上部結(jié)構(gòu)的負(fù)載，從而釋放了承載能力，這在大跨度橋梁上尤為重要。

另一個(gè)重要因素，是鋁是完全可回收的。這對(duì)于全球推動(dòng)更可持續(xù)的解決方案和降低碳足跡這一環(huán)境問(wèn)題尤為重要。幸運(yùn)的是，在全球范圍內(nèi)，鋁行業(yè)以相當(dāng)快的速度增加了回收能力，從而提供了更多的回收鋁。

特別一提的是，鋁擠壓件特別適合人行天橋和汽車(chē)橋的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師指出，其它建筑材料（譬如鋼和復(fù)合材料），沒(méi)有鋁擠壓制品那樣具有創(chuàng)造力的潛力，因?yàn)樗鼈冇懈嗟木窒扌浴?/p>

將鋁擠壓件提供的靈活性和創(chuàng)造性，與利用攪拌摩擦焊接將擠壓件連接在一起以制造橋面的能力相結(jié)合，為橋梁所有者提供了市場(chǎng)上最具成本效益的解決方案。加拿大咨詢(xún)公司W(wǎng)SP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師Beno?t Cusson說(shuō)：“攪拌摩擦焊極為實(shí)惠。它不僅性能好，而且極為劃算。我認(rèn)為我們這樣說(shuō)并為為過(guò)。”

橋梁需要大型擠壓件，找到橋梁建設(shè)者所需的承載力和長(zhǎng)度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。但在海德魯從事業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的工程師Thomas B.Svendsen指出，情況正在改善。他解釋說(shuō)：“擠壓件是人行天橋和公路橋的必要部件?！薄?/p>

挪威和加拿大的新項(xiàng)目

海德魯是挪威鋁生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者，致力于在包括橋梁在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域推廣鋁材料的可能性。Svendsen說(shuō)，鋁的特性極其適合橋梁建設(shè)。他認(rèn)為，最近的轉(zhuǎn)變引發(fā)了人們對(duì)新材料的興趣?！敖裉爝€有其他觀點(diǎn)和爭(zhēng)論，”他說(shuō)。“其中包括氣候、環(huán)境節(jié)約、價(jià)值鏈，以及對(duì)可持續(xù)性的更多關(guān)注。除了成本之外，減排也是一個(gè)新的因素?！?/p>

Svendsen談到了在更大、更全面的項(xiàng)目中使用更多鋁的優(yōu)勢(shì)，包括在交通基礎(chǔ)設(shè)施中。尤其是在橋梁方面，挪威的幾個(gè)新項(xiàng)目表明，鋁確實(shí)有一席之地。

一個(gè)案例是Langenuen大橋，這可能是目前挪威國(guó)內(nèi)正在開(kāi)發(fā)的最令人振奮的項(xiàng)目。這是挪威雄心勃勃的E39無(wú)渡輪項(xiàng)目的一部分，旨在為該國(guó)西海岸提供更順暢、更高效的旅行路線(xiàn)。位于卑爾根南部的Langenuen Sound大橋?qū)⑹褂娩X建造。

據(jù)Svendsen介紹，海德魯自2016年以來(lái)一直致力于Langenuen項(xiàng)目?！癊39項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)商想了解整個(gè)成本情況，以及其他行業(yè)的技術(shù)是否有幫助。他們想了解材料、供應(yīng)鏈和建筑，還想從石油行業(yè)等方面獲得經(jīng)驗(yàn)。然而，他們沒(méi)有考慮鋁材，”他解釋道?！爱?dāng)我們開(kāi)始這項(xiàng)研究時(shí)，我們首先必須得出結(jié)論，從技術(shù)上講，用鋁建造這種尺寸的橋梁是可能的。我們還考慮了使用鋁與鋼的成本。鋁通常比鋼更貴，但會(huì)產(chǎn)生許多協(xié)同效應(yīng)。例如，用鋁減輕重量有助于減少混凝土的用量?！?/p>

對(duì)更少混凝土的需求，也意味著二氧化碳排放量的減少。混凝土是世界上使用最多的建筑材料，占世界溫室氣體排放量的5-8%。水泥是混凝土中的實(shí)際粘合劑，其產(chǎn)量占混凝土排放量的80-90%。

另一個(gè)大型橋梁項(xiàng)目正在加拿大魁北克省北部的拉瓦爾大學(xué)進(jìn)行，那里的氣候條件惡劣。運(yùn)輸車(chē)輛橋?qū)⒂射摿荷系臄D壓鋁橋面組成。擠壓件將使用氣體保護(hù)焊（GMAW）連接在一起。運(yùn)送木材的卡車(chē)能夠在座大橋上行駛。

Fafard說(shuō)，這座橋?qū)⒂稍摯髮W(xué)的研究人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。他指出：“我們估計(jì)，在橋梁的整個(gè)生命周期內(nèi)，由于鋁結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本較低，這座橋梁的總擁有成本將低于混凝土或鋼橋?！?。

Svendsen對(duì)此表示贊同，并補(bǔ)充說(shuō)，挪威科技大學(xué)最近完成的一篇碩士論文表明，傳統(tǒng)橋梁的維護(hù)成本往往超過(guò)建設(shè)成本。他還指出，除了成本，碳足跡已經(jīng)成為新設(shè)計(jì)的必要條件。挪威正在開(kāi)發(fā)的另一個(gè)新項(xiàng)目——一座橫跨Trondheim鐵路線(xiàn)的人行天橋（圖1）——正在考慮使用100%的再生鋁。

一座由100%再生鋁制成的人行天橋，預(yù)計(jì)將橫跨挪威特Trondheim的鐵路線(xiàn)（來(lái)源：海德魯）

標(biāo)準(zhǔn)化與協(xié)作

魁北克省有50多座鋁制人行天橋。桁架是這些橋梁施工的主要系統(tǒng)。與鋼制解決方案相比，這些桁架和橋梁設(shè)計(jì)已經(jīng)優(yōu)化，幾乎標(biāo)準(zhǔn)化，并且在應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。最近，加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（CSA）發(fā)布了題為“行人、自行車(chē)和多用途橋梁設(shè)計(jì)指南（CSA S7:23）”的新文件，其中包括鋁作為這些橋梁的材料。

Cusson說(shuō)：“每當(dāng)你有一個(gè)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，并試圖在現(xiàn)有的橋梁上增加一座新的人行天橋或附屬設(shè)施時(shí)，這些都是我們近幾個(gè)月看到的項(xiàng)目類(lèi)型，表明鋁結(jié)構(gòu)更具成本效益和耐用性。鋁材也簡(jiǎn)化了施工工序。（因?yàn)椋┢鹬貦C(jī)會(huì)更小，對(duì)交通的干擾也會(huì)越來(lái)越小?！?/p>

除了在WSP的工作外，Cusson還是魁北克一個(gè)工作組的成員，該工作組由橋梁設(shè)計(jì)師、制造商和橋梁所有者組成。僅去年一年，他就對(duì)自己所經(jīng)歷的一切感到樂(lè)觀。他說(shuō)：“我們?cè)诠ぷ鹘M中的成員大大增加了。我們看到了更多的動(dòng)力，來(lái)自每一家主要工程公司的代表都加入了這個(gè)工作組?！?/p>

這一勢(shì)頭延續(xù)到他在鋁結(jié)構(gòu)章節(jié)中修改加拿大公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范CSA S6:19的工作中，他在此項(xiàng)工作中擔(dān)任副主席。Cusson解釋說(shuō)，該組織在其最近的標(biāo)準(zhǔn)（將于2025年發(fā)布）中對(duì)鋁結(jié)構(gòu)條款進(jìn)行了許多修改，部分原因是有更多的參與者參與。他說(shuō)：“我們關(guān)注的是簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)約和高效。例如，我們將在鋁面章節(jié)增加一個(gè)新的部分，并向設(shè)計(jì)師提出建議。我們正在加快步伐?！?/p>

2023年10月，Cusson在魁北克市舉行的國(guó)際鋁會(huì)議（INALCO）上發(fā)表了主題演講，該會(huì)議由鋁集團(tuán)AluQuébec和鋁研究中心REGAL組織。在演講中，他談到了加拿大的情況，加拿大正在開(kāi)發(fā)越來(lái)越多的人行天橋和汽車(chē)橋用鋁項(xiàng)目。除了魁北克省北部的大型項(xiàng)目外，這些開(kāi)發(fā)項(xiàng)目還包括兩座龐式桁架人行天橋和一座人行天橋，80米長(zhǎng)的桁架連接到曲梁結(jié)構(gòu)上。此外，AluQuébec正在與工程公司和制造商合作，在未來(lái)三年內(nèi)開(kāi)發(fā)一座完全由鋁制成的橋梁，包括一個(gè)連接到鋁梁的橋面。

INALCO會(huì)議還提供了許多旨在在新橋梁中生產(chǎn)更多鋁的新想法。這包括一個(gè)使公路橋梁更容易制造的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。Cusson表示，該項(xiàng)目可能會(huì)發(fā)展成為一項(xiàng)國(guó)際合作，因?yàn)闀?huì)議吸引了來(lái)自瑞典、德國(guó)、挪威、荷蘭、意大利、加拿大和美國(guó)的代表，這是自20世紀(jì)90年代以來(lái)首次建立全球科學(xué)團(tuán)體。該小組的一個(gè)目標(biāo)可能是使北美和歐洲之間的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化，另一個(gè)目標(biāo)則可能是使相關(guān)國(guó)家的交通部門(mén)更加緊密地聯(lián)系在一起。

分擔(dān)與開(kāi)發(fā)新解決方案有關(guān)的費(fèi)用，也是一個(gè)目標(biāo)。Cusson說(shuō)：“共同開(kāi)發(fā)解決方案對(duì)每一方都有利。我覺(jué)得相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展水會(huì)結(jié)束。”

瞄準(zhǔn)公路橋梁

公路車(chē)輛橋是鋁行業(yè)的難點(diǎn)，這僅僅是因?yàn)榻ㄔ齑祟?lèi)橋梁所需的大量鋁。Cusson指出：“隨著鋁面板和攪拌摩擦焊接的使用，我們看到了新的想法，包括現(xiàn)代化的應(yīng)用。實(shí)際上，我們可以為公路車(chē)輛橋梁設(shè)想新型的解決方案。”

Fafard對(duì)此表示贊同，并補(bǔ)充道，在交通部門(mén)將鋁材料納入標(biāo)準(zhǔn)材料之前，公路橋梁中使用鋁的游戲規(guī)則可能不會(huì)改變。它還要求橋梁所有者允許在施工材料的選擇中包括鋁，并考慮到所有權(quán)的總成本和材料的環(huán)境足跡。該行業(yè)現(xiàn)在必須跟進(jìn)。他說(shuō)：“我們有標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)則。現(xiàn)在是使用這些設(shè)計(jì)規(guī)則并應(yīng)用新的解決方案。目前，沒(méi)有更多的主要障礙?！?/p>

然而，較小的障礙仍然存在。在世界各地，土木工程項(xiàng)目通常不包括鋁作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用的材料。例如，加拿大只有三個(gè)土木工程項(xiàng)目將鋁設(shè)計(jì)作為選項(xiàng)。

Fafard表示，另一點(diǎn)是，交通部門(mén)和私人工程公司的工程師往往不熟悉鋁材料，因此他們傾向于使用鋼設(shè)計(jì)橋梁。即使規(guī)定了鋁，工程師有時(shí)也會(huì)嘗試用鋼代替鋁。

未來(lái)的橋梁

20世紀(jì)50年代至70年代，美國(guó)和加拿大建造了約66萬(wàn)座公共道路橋梁。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路管理局編制的2021年國(guó)家橋梁清單，美國(guó)有43000多座橋梁狀況不佳

2023年出臺(tái)的《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法》將投資400億美元修復(fù)和重建國(guó)家橋梁。這對(duì)鋁來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。通過(guò)這項(xiàng)新法律，拜登政府啟動(dòng)了一項(xiàng)計(jì)劃，以改善約15000座公路橋梁，以及不屬于聯(lián)邦公路系統(tǒng)的橋梁。橋梁改善計(jì)劃預(yù)計(jì)將花費(fèi)400多億美元來(lái)修復(fù)和重建國(guó)家橋梁，使其成為“自艾森豪威爾時(shí)代州際公路系統(tǒng)建設(shè)以來(lái)最大的橋梁專(zhuān)項(xiàng)投資”

與此同時(shí)，俄羅斯鋁業(yè)協(xié)會(huì)宣布開(kāi)通該國(guó)第一座鋁路橋。該橋長(zhǎng)72米，位于Tolokontsevo–Mogiltsy高速公路上。跨度和正交異性板均由鋁合金制成。該橋梁結(jié)構(gòu)包括四個(gè)鋁跨度結(jié)構(gòu)，每個(gè)跨度為18米，并使用攪拌摩擦焊接連接。

事實(shí)上，鋁在橋梁中的應(yīng)用前景光明。Cusson總結(jié)道：“未來(lái)幾年，我覺(jué)得對(duì)我們來(lái)說(shuō)將是激動(dòng)人心的?！?/p>

（作者：Kevin Widlic，原載于Light Metal Age,尚輕時(shí)代編譯）

參考文獻(xiàn)：

1.“Designing a Traffic Barrier Anchorage System for Aluminum Bridge Decking,”Light Metal Age,October 2019,pp.12-13.

2.“Opportunities for Extruded Aluminum Alloy Shapes in Restoration of Aging Bridge Decks,”Light Metal Age,June 2008,pp.12-17.

3.“Deploy-Ready Aluminum Bridge Decking,”Light Metal Age,August 2019,pp.30-33.

4.“An Aluminum Extruded Bridge is Born,”Light Metal Age,April 2018,pp.32-33.

5.Cusson,Benoit,“Modern Applications and Construction Details for Aluminium Bridges,”P(pán)resented at INALCO,Quebec,Canada,October 11–13,2023.

6.“Bridges:2021 Infrastructure Report Card,”American Society of Civil Engineers,2021.

7.“Fact Sheet:President Biden,Vice President Harris,Senior Administration Officials Kick Off 2023 Implementing Bipartisan Infrastructure Law,”The White House,January 4,2023.

8.“The First Aluminium Road Bridge in Russia Opens for Traffic,”Aluminium Association of Russia,December 28,2023.