摘要：在世界范围内，将铝用来建造新桥或修复旧桥已有很长的历史，本文回顾了自1933年以来铝制桥梁的历史。铝第一次在桥上的应用，是用于重建位于匹兹堡的斯密斯牧场街道桥的桥面。在随后的近50年中，全世界范围内已建成铝桥及铝制人行桥梁100座。它们中最有趣的桥在文献中却只有很简单的记载。如今，铝在土木桥梁领域的应用主要在以下四个方面: 替换老化桥梁的桥面板、重建既有桥梁、建造可拼装式桥梁或浮桥以及居住区桥梁尤其是人行桥。近年来，大部分将铝用在桥梁中的例子均在文献中有记载。最后人们认为，关于铝在桥梁中的应用前景，很大程度上取决于新的铝材料产品以及铝材料性能的改进。

铝桥历史回顾

第一次将铝应用在桥梁上是1933年，美国人改造匹兹堡史密斯街道桥的桥面板[1]，该桥朽坏的木桥面板和钢纵梁建于1882年，改造时被重量轻的铝板替换，铝板外裹以沥青，改造后桥梁的自重减少了675 t，使桥梁承载能力从4.5t增加到16t。为进一步增加桥梁的承载能力和耐久性，1967年出现了新的桥面板修复技术—— 一个新的更轻的外裹聚酯砂浆的正交各向异型铝桥面板支撑体系(上部结构同时也是桥面或路面)安装在现有的铝栅格结构上。最后，于1994 年，由于交通量增长非常快，桥梁进行了最终的更新，铝桥面板支撑体系被更宽的钢制正交各向异型钢桥面板支撑体系所代替，同时对既有的凸形桁架梁支架也进行了加固。

第一座铝桥跨修建于1946，当时美国在对开往位于Massena的Alcoa铝公司的铁路线上的桥梁进行更新改造，这是一座7孔桥梁，30m的跨度由两片铝桁架铆接在一体，用2014 - T6铝合金制成。铝桥跨的重量是25 t，只有钢制桥跨重量的43%。第一座全铝制桥梁修建于1950年，位于加拿大魁北克南部的沙格奈河上。该桥的主跨是一个长88.4m、高14.5m的拱，在主跨的两侧有几跨6.1m长的连接孔。钢筋混凝土板通过纵梁和横梁直接放置在铝格上部结构上，所有支持均由铝合金制成。桥全长为153m，宽9.75m。到目前为止，这是世界上最长的铝桥。整个结构均由2014 - T6铝合金制成，总重量150t，该桥目前仍然在使用（如图1）。

图1 第一座全铝桥，Arvida加拿大

  图2装配铝桥，Des Moines美国

在美国于1958年至1963年之间，人们有很大的兴趣将铝作为桥梁的建筑材料。在修建洲际高速公路网期间，钢的价格不断攀升，使得维修费用成为人们关注的重点。虽然铝的价格比钢的高，但是，由于铝的制造、运输、架设和维修费用比钢低，所以部份地抵销了铝价格的昂贵。那段时间里建了七座桥，这些桥梁中的第一座是洲际高速公路I- 80上的克莱夫路（Clive Road）桥，位于爱荷华州(Iowa美国中西部的州)的Des Moines，这也是世界上的第一座焊接铝桥梁，它的设计和修建都是美国高速公路管理局综合研究方案的一部分。图2是那时修建的很多桥梁中的典型桥型，它是座四跨连续高架桥，总长67 m、宽10.97 m，它由四根焊接铝板梁组成，高965mm，由横梁联结成一体，用高强螺栓连接到纵梁上。该桥第一次用了钢筋混凝土板，将其与铝上部结构结合在一起。铝结构由5083-H113 和5456-H321型号的平的和带棱角的铝合金板材制成，当时与2000 系列铝合金比是比较新的，而且具有较高的强度、可焊性和耐腐蚀性。1993 年，由于高速公路的改造，其上的桥梁或被拆除或被替换。但是，一部分被换下来的上部结构被用来研究铝在桥梁建造中的使用情况。

50年代后期，人们进行了着重引进标准铝桥梁上部结构的研究，并将其命名Fairchild桥梁系统。为了尽量减少铝的用量，采用卷曲和挤压板材并锚固在一起的办法，将梁制成一个高度为1.80 m的不规则横断面的三角箱梁，梁跨的横断面由三根到六根三角撑柱以三角形的方式固定在底板上，形成一个梯形的沃伦（Warren）横断面体系。用铝波纹板作上翼缘，它兼作15 cm厚桥面板的脚手架。桥面板用轻质混凝土，与铝上部结构一起形成组合结构共同工作(图3.a)。梁跨由6061-T6 铝合金制成，上部结构的单位重量只有43 kg/m²。这个系统是为25～30m的桥梁设计的，它具有装配容易、现场安装快和维修费用低的特点。首先应用Fairchild 桥梁系统的是1965年建造在纽约长岛日出高速公路（Sunrise Highway on Long Island）上的两座桥。他们均为四跨，跨度为9.1 + 23.2 + 23.2 + 9.1 m，总宽为29.3 m。到2000年，由于高速公路升级，这两座桥被后张预应力混凝土结构所替换。但是，另一座在马里兰Syke ville的Fairchild体系桥仍然在使用。

在世纪60年代早期，产生了另一种铝桥梁系统，设计和测试均在Giorgio Baroni教授的指导下完成，该系统被命名为Baroni桥梁系统[ 6 ]，它与先前的桥梁系统相似，但是， 1.22 m高的桁梁腹板由二块铝板以抛物面曲度焊接在一起制成。桁梁支撑在竖向放置的横梁和特别挤压成型的板上，与桁梁的底板焊接并用螺栓连接在一起，该系统没有与Fairchild系统一样的底板，轻质混凝土板浇铸在波形铝板上，与铝上部结构形成组合结构，兼作永久脚手架。该系统设计成30 m 跨度，由5083 铝合金制成，重量指标为49 kg/m²。在进行了全面的测试之后，该系统被应用在二座桥上即：阿拉巴马州的大意志小河（Big Wills Creek）和弗吉尼亚州彼得斯堡市的阿波马托克斯河（Appomattox River）上。

欧洲在上世纪40年代后期，在英国建造了第一座铝桥，当时在森德兰（Sunderland）和阿伯丁（Aberdeen）需要建两座相同的可移动桥梁。森德兰桥于1949年修建，总长37.0m、宽5.64m。其上部结构的外形如同桁架桥，只是上弦和栅格板的端部弯曲并支撑在桁架的下弦上。桁架弦杆是Ｕ形断面，柱子和斜撑是I形断面，桁架单元用镀锌钢锚钉连接在一起。铝面板由一个0.9 m 高的I形断面格栅和两个0.6 m 高的纵梁(在铁路轨道之下)组成，在栅格上铺设一块用沥青作了处理保护的10mm铝板。铝上部结构由两种不同的铝合金制成：桁架用6151、板用2014A。整个梁跨的重量是类似跨度钢梁的40%。阿伯丁桥于1953年修建，有类似的铝上部结构，总长30.0 m。

1951年匈牙利在Szabadszallas修建了一座全铝桥梁上部结构。该桥长13.2米，有两块3.15×3.66 m的桥面板，桥面板含有0.15 m高的纵梁，其上铺设0.008 m厚的面板，相互间用铝铆钉连接，该面板支撑在二个1.05 m高的铆接板梁上，由四个I形断面的横梁牢固连接，整个结构由2000系列铝合金制成。目前，这座具有历史意义的上部结构陈列在匈牙利的Kiskoros道路博物馆内(图4)。

图4：全铝桥梁上部结构，Szabadszallas匈牙利

 自1956 年以来，在德国修筑了一些铝制公路桥梁。位于吕能的全铝沃伦桁架桥（Warren truss bridge），总长42.20 m，车道宽3.50 m，主要构件有弦杆、竖杆和斜撑，它们均由特别挤压成型的Ｕ和I形铝形材制成，通过冷挤压铝锚钉连接在一起。桥面板由特制的0.16m高的挤压成型铝结构制成并锚固在一起形成桥面平面，将其放置并锚固在铝纵梁上。结构元件由AlMgSi1-F32铝合金制成，上部结构总重为25 吨，平均重量指标为126 kg/m²。

在上世纪60年代早期，新型的铝合金具有很大的可挤压性和很好的可焊性，由此将铝引进了建筑结构，它增加了铝在桥梁工程中推广应用的可能性，一个好的例子是德国在Singen开发了铝桥梁系统。系统由箱梁围成的边界梁组成，由挤压成型铝材和一块特制的面板焊接而成，根据桥梁荷载的不同，挤压成型铝材有两种形状。焊接梁箱包含上、下翼缘及腹板，用肋板加强，腹板数量取决于梁的高度。边界梁包括四个高度在760mm至1480mm之间变化的基本梁，根据桥梁的载重量和它的长度需要，在适当处需用两个或更多的箱梁。根据桥面板的需要，在人行桥上安置高0.04 – 0.07 m、宽0.4m的挤压截面，它们以榫舌和凹槽连接起来并直接锚固在铝箱梁上。在公路桥梁中，将挤压成形的多维空心板焊接成一个平台，既作为支撑结构同时也作桥面板用，这种处理方式与相近重量和抗弯特性的实心挤压板比，挤压成形的多维空心板有较大的抗扭刚度。为了抵抗由交通引起的集中荷载和大变形，将挤压成形板的横断面做成桁架的形式，后来这种断面形式在其它地方得到了进一步的发展，在现今的铝桥面板中，这种断面得到普遍使用。

在上世纪70年代早期，法国修建了两座铝公路桥梁。第一座是一个两跨悬浮结构，长度为2 × 79.9 m，架设在Montmerle的Saone河上。原来的老桥由钢和木材制成，现被一个全铝桁架结构替换，铝桁架悬挂在老的桥塔上。用铝的主要目的是尽可能减小桥梁本生的自重。两个铝桁梁由Ｕ形弦杆、I形竖杆和斜杆组成，均由ASGMT 6 铝合金挤压而成。桥面板由焊接铝横梁、I形挤压纵梁和特殊的复合板材制成，胶结在铝格子梁上。法国的第二座铝桥修建在Groslee的Rodan河上，这也是一座老桥的重建，老桥为一座悬索桥，跨度174米，它的三个新铝桁梁，由6082 R31 铝合金挤压成型构件与16 cm的轻质混凝土板制成，用以替换旧的钢木结构。

除了上面描述的几座重要的铝桥梁外，在1950年到1985年间，还修建了很多铝桥梁，主要在欧洲。例如：英国新堡（Newcastle）和格洛斯特（Gloucester）的可移动桥梁、法国Chamaliere的一座公路桥梁等。在这期间，修建了大量的铝合金人行桥。

在上世纪60年代后期至70年代早期期间，由于铝的价格较高，导致铝在桥梁建筑中的使用减少，但是，在这二十年期间，在铝桥梁建造和维护方面所获得的经验，仍是我们解决当代新问题的依据。当铝的价格在90年代早期回落的时候，使得铝作为桥梁建筑材料再度引起人们的巨大兴趣。在全世界范围内，几个重要的铝制造商承担完成了一项综合研究计划，该计划致力于寻找新的建造方法以便扩展铝的用途，在斯堪的那维亚半岛（Scandinavia）和美国已经取得了这一行动计划的第一阶段成果。

当代铝桥与铝桥面板

铝的许多优点，尤其是它的刚强、重量轻、不生锈和维修费用低、便于工厂制造和容易挤压等，使它成为在未来桥梁建设中考虑应用的一种金属材料。就目前情况看，铝在桥梁工程中的应用主要表现在以下五个方面：替换和整修老化的桥面板，对既有桥梁、可移动桥、浮桥和住宅区桥梁(特别是人行桥) 进行扩建。本文将对新建的大部分桥梁实例进行描述，但不描述铝在军事桥梁中的应用情况。

瑞典开发了一种叫Sapa Front的轻型铝桥面板系统，用以替换钢-砼结合梁桥中老化的钢筋混凝土板。桥面板由挤压成形的多维板通过榫舌和凹槽互相连接形成支架结构，同时也作桥面板(图5) 。这种连接考虑到挤压成形板相对于下一块的适当转动，挤压成形板的端部扭转得到限制。这种系统应用了三角空心断面，不仅使单位重量逐渐减小，同时还使抗弯和抗扭刚度增加。有二种尺寸比较实用：一个大约为0.25m×0.05 m，重量为50 kg/m²，另一个大约为0.30m×0.10 m，重量为70 kg/m² 。在许多情况下，挤压成形板由螺栓连接在桥面板横梁上，在某些情况下，直接连接在桥梁的纵梁上，板在支撑梁之间的间距在1.2～3.0 m之间变动。在该系统中没有使用焊接方式，板的表面涂以丙烯酸酯材料或沥青。该系统被使用了超过15 年并应用于各种桥梁。

  图5 瑞典铝桥面板系统Sapa Front

上世纪90年代中期，美国开发了一个称为Alumadeck的铝桥面板(图6)，于1996 年秋天第一次投入使用，安装在科尔宾（Corbin）桥梁上。第二次应用是在进行了一项全面的三阶段研究之后，用来替换一座功能不满足要求的既有四车道桥梁的桥面板，该桥位于弗吉尼亚州梅克伦堡县（Mecklenburg）的Little Buffalo Creak。该桥面板系统包括了几个独立的预制面板，在现场装配，各个预制面板包括一个双空穴挤压空心板，宽0.305m，高0.203m。预制面板在工厂制成，设计尺寸通过在制造厂将单个挤压板的上下翼缘焊接在一起来实现。桥面板系统从本质上讲是各向同性的，在纵向和横向均具有抗弯能力，只是其在挤压方向要稍微强硬一些，所以在铺设桥面板时通常将其挤压方向与桥的主梁方向平行放置，并用联结板沿纵向边缘将它们连在一起。为了使铝板和钢梁能共同工作，并防止二种材料之间的原电池反应，在梁的上翼缘设置一个0.05 m厚的加强梁腋，并将主梁上的剪力销穿入铝板内，同时在铝板全长范围内注满磷酸镁灰浆，放置在主梁上，这样便在板和剪力销之间形成了较好的联结。

  图6 铝桥面板，美国

由焊接挤压型板制成的铝桥面板系统在荷兰和日本也得到了发展。根据全世界铝桥梁在实际应用中获得的经验，波兰完成了一项开发并建造铝桥梁系统的研究计划，该计划在波兰国内是适用和可行的。该研究的主要目标是用挤压型板焊接在一起来制造铝桥面板(图7)，并计划将研究结果用于波兰的道路维修。

图7 波兰铝板系统试验评价

作为挪威研究方案的一部份，1996年在Forsmo建造了第一座当代全铝制公路桥梁，该处原有一座60年历史的旧桥，由钢粱和钢筋混凝土板制成，它的状况很差，必须更换以扩大其承载能力。新桥梁主要用6082和6005铝合金挤压板建成，在桥梁的某些部位也用了5083铝合金板材。桥梁上部结构长39 m，包括两个梁箱，桥面板作它的上翼缘。箱梁最初用扁平的条状挤压板建成，具有完整的刚度，腹板和下翼缘也用同样的挤压板制作，挤压板沿桥梁的纵向放置，在支撑处，腹板和下翼缘的材料为5083-H22铝合金。每隔3.0m即在两个箱梁内部和在两个箱梁之间设置交叉的支撑，以保持箱梁的形状，同时将荷载分布在两根箱梁上。桥面板由宽0.25 m、高0.123 m的三箱空心挤压板做成，在各挤压板中，四个腹板大约放置成60^o角度，它们在压型板的横向如同一个框架一样共同作用。挤压板焊在上下翼缘上，形成共同作用桥面，桥面板的面板焊在箱梁的上翼缘上，挤压方向与桥梁主梁方向垂直(图8)。

图8挪威Forsmo 桥

如今，一座更宽的铝制可移动桥梁正在建设中，这种建筑材料轻，在运行过程中能源消耗较低。最近荷兰建成并投入使用了一些可移动铝桥，在那里所有独特的活动结构桥梁均全部用铝制造，例如阿姆斯特丹Helmond和Riekerhavenburg的孪生桥。Helmond的一些桥梁建造于1999～2000 年之间，它们均为10m长，有两个车行道和自行车道，上部结构均由6082铝合金制成，整体用船从车间运输到施工现场。阿姆斯特丹的Riekerhaven桥，于2003年3月投入使用，是一座活动结构桥梁，有两孔，跨径分别为10和13m，上部结构包括由梯形断面挤压板制成的桥面板和板材制成的主梁，主梁高0.90m(图9)。其跨间的铝结构是完全没有防腐保护的，只有两岸的表面和栏杆由于审美的原因作了阳极化处理。上面所描述的两座可移动桥梁最近（Helmond 桥于1999年，Riekerhaven桥于2003年）都赢得了欧洲铝行业奖。

  图9 Riekerhaven 桥,荷兰阿姆斯特丹

荷兰人为寻找一种新的运输基础设施，最近开发设计了一条单车道客车专用浮桥（原文为浮路），最高设计时速80km(图10)。这种浮桥由长方形铝件单元构成，单元主要测寸为5.3m×3.5m×1.0 m (L×W×H)，它们被相互联结在一起而成为“浮路”，“浮路”的刚度可保证使用安全与舒适。这种铝件单元可用卡车容易地运到任何需要的地方去，其不同的外形与配置，使得这种浮桥可在各种环境和情况下使用。主要构件上安装了特殊边缘，以防止车辆落入水中，浮桥结构本身既是车辆的导轨也是防止碰撞及波浪袭击的保护设备。浮桥用“振动”打入钢管桩锚固在土壤中，并将聚苯乙烯泡沫填装在铝件单元内，即使铝件损坏，也可以保证它们长时间不会沉入水中。在这种浮桥中间还可以建开启桥，开启过程由遥控控制，宽度可达到十米。为了方便浮桥连接到岸上，专门为其设计了一个能够在水平面上任意上下移动的坡道。荷兰于2003年中期在Hedel 附近建成了一座这样的浮桥，其导梁长达70 m。

    图10 Hedel 附近的铝浮路,荷兰

作为新住宅区铝合金桥梁，英国梅德斯通市（Maidstone）的Lockmeadow人行桥是一个很好的例子，该桥于1999年投入使用。该系统是特别为这个项目开发的，现在在别处也被采用。桥面板是薄铝结构，由挤压板一块接一块地放置并紧压在一起以形成一个宽铝板。不必再使用其它构件或增加完工工序，因为挤压板根据面板的要求设计，能满足面板需要的所有功能，包括顶面的防滑性能。桥面板系统应满足以下标准：视觉漂亮、轻巧、构件尽可能地标准化和可重复利用、在现场快速而又简单地处理和安装、自重轻、不需要二次结构、不需要完工工序和维护费用低。自重轻也减小了基础费用。挤压板的尺寸为300mm深、105mm宽。由于封闭截面挤压板至少比同样尺寸的开口截面挤压板贵两倍，因此人们采用了背靠背安装开口截面挤压板的方式，从而产生了一个多孔的桥面板横截面形成。上翼缘顶面压出棱条纹以使表面不光滑，但是，当对拱腹增加拱肋不合适时，使用正反两面可用的双对称形状或“榫舌和沟槽”等类型的细节连结细节处理是不可能的。在必要时，为了改进横向刚度，取而代之的办法是，在凸起中引入小的连续沟槽来承担剪力。在挤压板中需要附加的内部水平肋条，以减少腹板在横向预加应力棒端部的面外弯曲影响。因而，横截面形成X形式支撑，以改进横向支撑和抗剪性能。挤压板用等级6082-T6的铝合金制成，剪力键及其它部分用等级6063-T5的铝合金制成(图11)。

图11 Lockmeadow人行桥横断面，英国梅德斯通(单位: mm)

铝在桥梁中的前景

高强铝合金作为交通基础设施的建筑材料已有几十年。由于人们需要通过建筑材料的轻质化和高耐久性来提高结构的性能，促使人们对铝合金的性能作进一步改善，许多性能已经通过新的制造工序得以实现，譬如双重老化、逆向老化、在淬火与老化之间控制热化和机械变形的组合处理等。这些尝试也包括严密控制合金的组成，它们增加了铝合金的强度、耐久性和耐腐性能。今天的铝合金比早期用于桥梁的铝合金强度高1.5倍，若考虑通货膨胀，费用基本上与早期是一样的。

最近几十年开发了几种新的铝结构材料并已投入使用。这些新材料是新近冶金技术和材料工程学创新的结果。新的生产工艺可以将铝粉压成铝坯，铝坯又可以用来挤压、锻造或碾成轧制成品。这些新型的铝粉金属也可以用机械方法来“合金”，也可以用线体与纤维来加强，如此会产生非常独特的结构特性。通常，新材料在质量和耐腐蚀性方面相对于常规铝轧制成品是优越的。用纤维加强的铝材与钢比强度高、刚度大，然而重量只有钢的1/3，这些新材料潜在的应用前景已经在不同的结构中得到实现和好评。一场革新可以由以下两种情况开始：或者是主要产品费用减少得到突破，或者是这种新铝材料的一种或更多产品得到大量应用。这次革新也包括那些混合铝结构的设计，在这些设计中使用了不同的铝材系统，以便使结构特性最佳、使生命周期内的费用减到最小。不久的将来，这些材料工程学的进一步发展将对21世纪的结构设计产生影响。

建筑业在过去的一些年里对铝的需求量是相对恒定的，但用铝来修复和重建世界范围内令人关注的交通基础设施时情况就不一样了。全世界范围内，有越来越多的桥梁被报告成有严重的问题，需要紧急更换，此时用铝制板或梁来替换老化的桥梁，不用加固基础和桩，这将产生一个巨大的铝板材和挤压板材市场。高速公路代理处可以通过铝来增加现有桥梁的寿命，节约由于需要替换和加固桥面板系统而支付的上亿美元，并且替换工作在几天而不是几个月内即可完成，大大地减少桥梁和道路的维修停工期，减少了交通中断时间，铝已渐渐作为桥梁结构的一个重要组成部分发挥作用。以加固的复合纤维来取代铝材尚不现实，因为它们的成本效果核算、性能和可维修性较难预测，当人们对它们的破坏特征和环保性能有更好的了解后，它们的运用前景是毫无疑问的，那时，铝的经济特性将越来越显著。并会在一个或两个主要市场取得明显的实际效益，如汽车和交通基础设施，因此也弥补了类似于轻微腐蚀性的缺陷。与此同时，由于铝对生产商和消费者将产生很大的价值，所以铝的使用也会得到增长。

简言之，潜在成功领域主要在以下三个工业领域：原材料生产技术、制造技术和应用技术。以下是主要的几方面：

 - 铝用在抗震结构中。因为它可以减小地震中结构的惯性力，尤其是高架的车行道、桥梁和高层建筑。

- 铝用在桥梁和桥面板中。用于翻新退化的混凝土和钢桥面板，以增加承载能力和减少将来的维修费用，同时保留原有基础和主梁结构。因此：

- 多空心挤压板技术应用于桥梁设计中，应得到进一步优化；

- 道路铺装材料寿命和它们与铝的黏贴特性应该得到提高，同时；

- 应该进行全面的疲劳和地震测试。

未来桥梁设计的趋势可以分为以下四个主要方面：增强现有材料(高性能钢，高性能混凝土)，新材料的发展(纤维加强复合结构，金属复合模板)，材料的新结构联合和结构控制。随着高强度和尽可能轻质的材料的发展，桥梁将变得越来越纤细和轻质，特别是大跨度桥梁和固定杆。许多重要的固定杆仍然继续在计划和建造中。因此，未来将出现各种不同的性能改善的新建筑材料，在他们中间不凡新型铝合金和铝模板复合结构。当合金在特殊市场（汽车业，航空业、海洋业等）上得到发展的时候，人们也许会发现它更广阔的应用。这些材料中的许多种具有相对较高的强度、超常的耐腐蚀性和较好的可焊性，它们将无疑在新基础设施的建筑物中得到应用。人们正在使用新合金、新材料和新的加工技术来制造具有更低“生命周期费用”的更好的结构构件。例如，铝锂合金2097与早期在铝桥中使用的铝合金2024比，具有三倍的疲劳寿命、密度低5%、刚度高7%。由于它具有更好的抗疲劳性能，它减少了构件更换的频率和更换期间因停止运营而造成的费用。如果常规铝合金构件破坏了，可以用金属模板复合结构(MMC) 来替换它们，例如一种用硅碳化物或氧化铝微粒(DRA - 不连续加强铝) 加强的铝合金，比单一铝合金坚硬大约50% 。

结论

许多桥梁工程师错误地认为，铝合金不够强劲难以满足高速公路桥梁构件的严格要求。本文以上所提到的大部分例子清楚地显示出，铝合金能够保证桥梁安全、坚固和耐用，并且能够将桥梁的“生命周期费用”减小到最少。如今，桥用铝合金具有较大的强度、延展性和抵抗断裂等性能的可选择范围，能充分满足桥梁对材料的苛刻要求。铝能够较容易地被挤压成各种各样的外形，以满足结构的不同需要。结合铝的这种多功能性与它的轻质、耐腐蚀性、易于制造和架设及低的“生命周期费用”等，使铝成为理想的桥梁应用材料。

由于铝具有特定的物理特性、灵活的产品外形和能够相对容易地（在现场进行）装配，未来将其应用在基础设施中的事例将不断增加。尽量减少铝的初期成本将进一步增加铝的竞争性，当“生命周期费用”方法学被人们接受和成熟的时候，选择铝将会变得更顺利。

资料来源：

November 2006，Structural Engineering International

 

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图11 Lockmeadow人行桥横断面，英国梅德斯通(单位: mm)

铝在桥梁中的前景

高强铝合金作为交通基础设施的建筑材料已有几十年。由于人们需要通过建筑材料的轻质化和高耐久性来提高结构的性能，促使人们对铝合金的性能作进一步改善，许多性能已经通过新的制造工序得以实现，譬如双重老化、逆向老化、在淬火与老化之间控制热化和机械变形的组合处理等。这些尝试也包括严密控制合金的组成，它们增加了铝合金的强度、耐久性和耐腐性能。今天的铝合金比早期用于桥梁的铝合金强度高1.5倍，若考虑通货膨胀，费用基本上与早期是一样的。

最近几十年开发了几种新的铝结构材料并已投入使用。这些新材料是新近冶金技术和材料工程学创新的结果。新的生产工艺可以将铝粉压成铝坯，铝坯又可以用来挤压、锻造或碾成轧制成品。这些新型的铝粉金属也可以用机械方法来“合金”，也可以用线体与纤维来加强，如此会产生非常独特的结构特性。通常，新材料在质量和耐腐蚀性方面相对于常规铝轧制成品是优越的。用纤维加强的铝材与钢比强度高、刚度大，然而重量只有钢的1/3，这些新材料潜在的应用前景已经在不同的结构中得到实现和好评。一场革新可以由以下两种情况开始：或者是主要产品费用减少得到突破，或者是这种新铝材料的一种或更多产品得到大量应用。这次革新也包括那些混合铝结构的设计，在这些设计中使用了不同的铝材系统，以便使结构特性最佳、使生命周期内的费用减到最小。不久的将来，这些材料工程学的进一步发展将对21世纪的结构设计产生影响。

建筑业在过去的一些年里对铝的需求量是相对恒定的，但用铝来修复和重建世界范围内令人关注的交通基础设施时情况就不一样了。全世界范围内，有越来越多的桥梁被报告成有严重的问题，需要紧急更换，此时用铝制板或梁来替换老化的桥梁，不用加固基础和桩，这将产生一个巨大的铝板材和挤压板材市场。高速公路代理处可以通过铝来增加现有桥梁的寿命，节约由于需要替换和加固桥面板系统而支付的上亿美元，并且替换工作在几天而不是几个月内即可完成，大大地减少桥梁和道路的维修停工期，减少了交通中断时间，铝已渐渐作为桥梁结构的一个重要组成部分发挥作用。以加固的复合纤维来取代铝材尚不现实，因为它们的成本效果核算、性能和可维修性较难预测，当人们对它们的破坏特征和环保性能有更好的了解后，它们的运用前景是毫无疑问的，那时，铝的经济特性将越来越显著。并会在一个或两个主要市场取得明显的实际效益，如汽车和交通基础设施，因此也弥补了类似于轻微腐蚀性的缺陷。与此同时，由于铝对生产商和消费者将产生很大的价值，所以铝的使用也会得到增长。

简言之，潜在成功领域主要在以下三个工业领域：原材料生产技术、制造技术和应用技术。以下是主要的几方面：

 - 铝用在抗震结构中。因为它可以减小地震中结构的惯性力，尤其是高架的车行道、桥梁和高层建筑。

- 铝用在桥梁和桥面板中。用于翻新退化的混凝土和钢桥面板，以增加承载能力和减少将来的维修费用，同时保留原有基础和主梁结构。因此：

- 多空心挤压板技术应用于桥梁设计中，应得到进一步优化；

- 道路铺装材料寿命和它们与铝的黏贴特性应该得到提高，同时；

- 应该进行全面的疲劳和地震测试。

未来桥梁设计的趋势可以分为以下四个主要方面：增强现有材料(高性能钢，高性能混凝土)，新材料的发展(纤维加强复合结构，金属复合模板)，材料的新结构联合和结构控制。随着高强度和尽可能轻质的材料的发展，桥梁将变得越来越纤细和轻质，特别是大跨度桥梁和固定杆。许多重要的固定杆仍然继续在计划和建造中。因此，未来将出现各种不同的性能改善的新建筑材料，在他们中间不凡新型铝合金和铝模板复合结构。当合金在特殊市场（汽车业，航空业、海洋业等）上得到发展的时候，人们也许会发现它更广阔的应用。这些材料中的许多种具有相对较高的强度、超常的耐腐蚀性和较好的可焊性，它们将无疑在新基础设施的建筑物中得到应用。人们正在使用新合金、新材料和新的加工技术来制造具有更低“生命周期费用”的更好的结构构件。例如，铝锂合金2097与早期在铝桥中使用的铝合金2024比，具有三倍的疲劳寿命、密度低5%、刚度高7%。由于它具有更好的抗疲劳性能，它减少了构件更换的频率和更换期间因停止运营而造成的费用。如果常规铝合金构件破坏了，可以用金属模板复合结构(MMC) 来替换它们，例如一种用硅碳化物或氧化铝微粒(DRA - 不连续加强铝) 加强的铝合金，比单一铝合金坚硬大约50% 。

结论

许多桥梁工程师错误地认为，铝合金不够强劲难以满足高速公路桥梁构件的严格要求。本文以上所提到的大部分例子清楚地显示出，铝合金能够保证桥梁安全、坚固和耐用，并且能够将桥梁的“生命周期费用”减小到最少。如今，桥用铝合金具有较大的强度、延展性和抵抗断裂等性能的可选择范围，能充分满足桥梁对材料的苛刻要求。铝能够较容易地被挤压成各种各样的外形，以满足结构的不同需要。结合铝的这种多功能性与它的轻质、耐腐蚀性、易于制造和架设及低的“生命周期费用”等，使铝成为理想的桥梁应用材料。

由于铝具有特定的物理特性、灵活的产品外形和能够相对容易地（在现场进行）装配，未来将其应用在基础设施中的事例将不断增加。尽量减少铝的初期成本将进一步增加铝的竞争性，当“生命周期费用”方法学被人们接受和成熟的时候，选择铝将会变得更顺利。

资料来源：

November 2006，Structural Engineering International