引言
虽然到1955年为止，国外已经建成了数座铝质公路桥，但在德国采用该种材料制造的唯一一座桥是Schwansbell桥，该桥目前已经成为了人行桥梁。作为德国国内首座铝质公路桥，它跨越了datteln－Hamm海峡，于1956年开始投入运行（如图1）。
图1
尽管所采用的铝合金比重仅为钢材的三分之一，但是初步估算的工程造价表明在那个时代，就相对价格而言，使用铝材是不经济的。然而，铝材制造商和桥梁建筑公司都捐献了相当多的资源，而且水运权威部门也决定修建一个铝质桥梁。那个时代的业主们也表现出一种先驱和革新精神。他们将该桥梁的建造看作一个试点工程，以发现更多采用铝材修建桥梁的设计、施工和建造的经验，并应用于以后的桥梁建设中。另外，他们也想了解在完工后构筑物的腐蚀行为。
设计
该桥梁采用桁架结构。跨距为
桥梁设计是根据欧洲规范（E DIN
铝合金的选择
铝镁硅
表 1 铝镁硅1 F32号合金的力学性能
|
拉伸强度 |
fu |
310 |
N/mm2 |
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0.2％样品强度 |
f0 |
245 |
N/mm2 |
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延伸率 |
A |
10 |
％ |
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弹性模量 |
E |
70 000 |
N/mm2 |
|
剪切模量 |
G |
27 000 |
N/mm2 |
|
线性热膨胀系数 |
α |
23*10-6 |
/K |
|
比重 |
ρ |
2 700 |
kg/m3 |
根据当时有效的欧洲规范E DIN
挤压成型的横截面
在初步设计阶段，每个外形的设计是根据各自受力的横截面而定的，这样整个桥梁的重量达到了18吨。而实际上，由于每个外形均应挤压，对于设计所需的挤压工具的造价非常昂贵。
第二步设计就是减少几何外形的数量到16个。其中两个断面是标准的双T型和U型截面。其它14个断面必须采用合适的挤压工具才能完成。在那个年代，最大的外接园限制为
所采用的断面和板就意味着桥梁的整体重量为25吨。相类似设计的钢结构桥梁光静重就达60吨。因而采用铝材可以减轻约58％的重量。
直径为16mm的铝质铆钉同样采用铝镁硅1 F20号合金，虽然它经过冷化加硬后的拉伸强度fu＝195，0.2％的弹限强度f0＝100N/mm2。这种合金材料等同于EN AW－6082 T4合金，就如同现在所使用的EN 573-3。在此之前，直径10mm铝质铆钉的技术已经在航空和汽车业有应用的经验。所以，在桥梁建造之前可进行铆钉试验，试验的目的是发现在加工期间材料的行为，并寻找最合适的铆固技术，决定优化的端部形状。
铆固试验是采用工具、铆固模具和上模冲完成的。试验表明，该工艺不能作为首选。铆固头很容易被剪断。另外，在较大的铆固形成压力下，铆钉材料有膨胀挤出的危险。此外，铆固锤的快速冲击能引发其它问题：反复锤击和铆固模具的锋利的边缘，能造成铆钉头材料的磨损。锤击行为引起铆固材料的冷加工，从而需要比上一锤更大的锤击力。需要形成铆固头的锤击数越少，冷加工的程度就越小。因而，在接下来的试验中，可以采用锤击缓慢但是锤击力大的铆固锤击。另外，其它形状的铆钉头必须选取以减少需要形成铆钉的压力。
这些试验的结果表明，最优化的方法就是采用梯形的铆钉头，其厚度近似于轴杆直径的一半。由于铆固工具不会引起任何锤的旋转行为，铆钉头的磨损完全消除。此外，梯形比圆形更能保证铆钉头与弯头保持同轴。
图4 铆固形成压力30吨，铆钉直径
图5 采用中间保护层防止缝隙腐蚀以防止50年的风化效应
图6 50年风化作用后桥梁底部非涂覆盖层的铝质断面
除了已制造的韧度形成铆钉外，铆钉在510℃应固溶退火、水淬，然后立即锤击。由于采用这种方法，铆固形成压力降低了三分之一。但热处理引起了铆钉强度的损失，在固溶退火之后其硬度为50HB。轴杆的硬度测量表明，固溶退火处理、水淬和锤击的铆钉与采用同样工艺处理的铆钉9天后的硬度相同，都是80HB。尤其明显的是9天之后铆钉头的硬度为100HB。
选择了铆钉头的形状和加工参数后，铆钉孔必须保证完全填充（如图4）。即使当铆钉孔是交错的，铆钉孔仍应完全填充。冷锤击铆钉的夹具效应是非常小的，这会导致被铆固部件之间有细微的间隙。因而，必须保证铆钉之间的间隙不能太大。试验的目的就是确认设计中的假设。
腐蚀保护
铝材的风化行为
铝是一种高度活性金属，一旦与空气中的氧接触，就形成了一层自然氧化层。在温度和湿度的影响下，这种透明密实的氧化层会随时间变得越来越厚。
氧化层保护内部铝不与氧进一步反应。如果在干湿时期风化效应交替作用下，对铝材的腐蚀攻击变得更严重时，保护型的氧化层会形成。这是一种较强的抵抗腐蚀的能力，但是会导致结构表面变灰或变暗。表面失色并不影响结构单元的功能。
合金材料的一个特点就是其非常超强的抗腐蚀能力。为了检验在鲁尔地区工业气候条件下合金是否有非常有利的抗腐蚀能力，决定在桥梁修建后，表面不采用任何覆盖层。而在那个年代，对于钢结构桥梁，通常采用喷抛清理、涂保护层的方法进行防腐。
缝隙腐蚀
如上文所述，所采用的连接技术不能避免铆固断面和板之间的缝隙。缝隙中湿度的入侵和氧气的消耗会形成电化学单元。该单元的阳极腐蚀铝材，造成缝隙的进一步加深；阴极在缝隙的边缘。这种腐蚀类型并不专门针对铝材，无论金属的组成如何，都会发生类似腐蚀问题。为避免缝隙腐蚀，在外部涂覆盖层之前，应对要连接一起的板和断面表面上涂覆盖层，以有效地填充缝隙。
桥梁的建造
由于桥梁质量轻，完全有可能在室内进行桥梁的组装。必须有一个特大面积的加工厂，其中不含钢材处理工艺。由于铝材显著的易可痕性，组件可用铅笔进行标识。由于加工厂可以直接进入海峡，用一个辅助的钢结构设备将桥梁放在两个水上运输设备上，并起吊到建造地点。在运输期间，下部铁索和公路浸在水中。在建造地点，一个可移动的起吊机可将桥吊至桥墩处。
桥梁当前使用状态
该桥于1956年开始运行。到现在，没有再次对桥梁进行抗腐蚀保护。在这期间，断面、板和铆钉一直暴露在鲁尔工业区这种从二十世纪九十年代以来具有高度腐蚀性的大气环境里。桥梁表面呈暗灰色，表现了典型的铝材风化现象（见图6和7）。但是这没有影响桥梁的承载能力和各个部件的使用功能。同样，用于防止缝隙腐蚀的中间保护层是有效的。对桥梁例行的试验和检查证实，到最近的
结论
到目前为止，选择铝作为Schwansbell桥的建筑材料是一个正确的决定。精心选择合金材料、断面几何形状以及合金的抗腐蚀和缝隙抗腐蚀能力均有助于桥梁的稳定性、交通安全和耐久性。到现在，用于钢制桥梁保护层所必须的费用已经超过桥梁初始造价的好几倍。1956年桥梁的造价是9
相关数据
铝（吨）：25
总造价（百万欧元）：0.098
运营时间：1956年4月
资料来源：
November 2006,Structural Engineering International
