摘要
桥梁工程发展过程中最有趣的事情之一是对新结构材料的研究，比如不锈钢，这种材料具有优秀的机械性能，良好的耐久性和美学性能。新材料在桥梁工程上的运用隐喻着技术的革新，有着巨大的工程价值，促进了社会的发展和进步，并为未来桥梁的建设铺平了道路。
本文介绍的是最近在CalaGaldana (Menorca)建成的一座不锈钢组合式公路桥，这是欧洲的第一座不锈钢公路桥，也很有可能是世界上第一个不锈钢建筑物。
引言
Menorca岛由于具有天然的生态环境以及丰富的历史和文化遗产，联合国教科文组织评价这里是一个独特的生物圈，是一个露天博物馆。Cala Galdana海滩长450米，宽45米，是Menorca岛最美丽的海滩之一。这是唯一一个部分城市化的环境，很多游客被这个吸引到岛上来旅游。
Algendar河在Cala Galdana海滩汇入大海，在过去的30年里，过河依靠的是一座大约18米长的钢筋混凝土桥。由于这座桥因海洋大气引起的腐蚀在不断加剧，而更为严重的是其中一个桥墩发生了大量的沉降，业主决定修建一座新桥来代替它。新桥横跨Algendar河，其跨度将超过40米，新桥的形式要和周围环境协调统一，并且要求其材料有很强的耐久性及最低的维护费用。
在新桥的设计过程中，分析比较了各种不同的结构和材料方案，最终，采用了一种二联不锈钢拱形结构。这种不锈钢具有较高的耐海洋大气腐蚀性能，能够比较好的满足业主的要求。由于不锈钢的使用带来了技术革新，这座新桥成为了Menorca岛的标志性建筑。
新桥的设计实现了四个明确的目标：环境保护（在施工和使用过程中对古老河床的恢复）、高耐久性、最低的维护费用和成为先进技术的象征（图1）。
图1 大桥全貌
不锈钢结构材料
不锈钢的种类繁多，其经常使用的钢级有可能超过100种。这些不锈钢里至少含有11%的铬元素，同时还存在其他多种元素，比如镍、钼或者是氮，其中，有一种合金钢显示出强大的耐腐蚀性、延性和机械强度，这种高温条件下产生的合金钢同时还具有优秀的美学性能，且易于保养和清洁。不锈钢中的铬在不锈钢表面形成一层光滑、稳定、透明的氧化铬（Cr2O3）（钝化层），从而避免不锈钢被腐蚀。
不锈钢按照金相组织可以分为四种：铁素体、奥氏体、二联和马氏体。二联不锈钢在微观结构上是一种奥氏体—铁淦氧合金，有着超越大多数碳钢的强大的耐腐蚀性、极好的延性和机械性能。由于具有很高的强度，二联不锈钢适用于栈桥和人行桥。二联钢存在许多不同的等级，通常根据环境的腐蚀性、腐蚀种类、机械性能和表面光洁类型等等来选择最适合的二联钢等级。
和传统的碳钢所不同的是，不锈钢没有一个确定的弹性极限强度，即使根据折算应力值，也呈现出力学非线性状态。不过，已经选定0.2%应变对应的应力值作为常规屈服应力（f0.2）。关于热轧中厚板，以运用在本文介绍的位于Cala Galdana（Menorca）的这座桥上的1.4462二联钢为例，与1.
令人惊讶的是，虽然不锈钢在工业、造船、建筑或消费品等领域有超过50年的影响力，但是直到几年前它在土木工程特别是在结构物上都是处于销声匿迹的状态。尽管如此，世界上也已经修建了一些很有影响的人行桥。
桥梁概述
本桥全长55米，桥面宽13米。桥面布置为2条车行道（7米）加上两侧各2米宽人行道，行人在人行道上可以从一个极好的地理位置欣赏周边的风景。
本桥主结构由两条平行拱圈和中承桥面组成。拱圈和桥面在拱座处由一跟斜撑连接，斜撑承受着拱轴力的水平分力，因此，不会有显著的水平力传给拱座。
下部结构
两个拱座基础的地质条件截然不同。右河岸的1#拱座，持力层（中新世石灰岩）深度超过40米，而在另一侧河岸的2#拱座，石灰岩深度只有大约4米。
1#拱座是一块巨大的钢筋混凝土，底面大小为11.4×9.5m2，高3.8m，拱座下设14根预制混凝土桩，每根桩截面为0.4×0.4m2，长42m。考虑到美观要求，拱座外露面与河堤倾角一致并与河堤融为一体，在拱座表面还设置了间距15cm的浅沟，以免出现大平滑面。2#拱座直接修在石灰石表面上，其尺寸大于1#拱座，底面大小为11.5×13m2，高7.2m。
平行拱圈和桥面板下两根纵梁的底部支撑于拱座上。拱圈支承于盆式支座上，纵梁支承于板式橡胶支座上。为避免桥面板相对拱座产生垂直位移，采用了4根竖向锚杆（由4组12束直径15mm无约束后张钢绞线组成）。连接拱圈底部和桥面板端部的斜撑凹陷在拱座的前端面上。
上部结构
设计结构由自由跨为45m的两根平行拱圈加上中承式桥面板构成。主结构由1.4462级二联不锈钢制成，这种钢具有高耐氯化物腐蚀性。桥面板为钢筋混凝土结构，设有横梁(图2)。
桥拱矢高6m（跨度/矢高=7.5），拱圈通过两根连续纵梁与桥面板相连。这两根纵梁又通过横梁连接成一个整体。
拱圈横截面为带中心隔板的三角形（图3），高0.7m，全长范围内为等高。不过，横截面宽度在0.7m到1m之间变化。中心隔板变形成为多孔板，以便拱圈与纵梁的连接。纵梁为1m×0.5m矩形空腹型钢，由15mm～25mm厚钢板构成。位于桥面板上方的拱圈中心，纵梁有中心隔板与拱圈隔板相连，纵梁上的竖向荷载可直接传递给拱圈。
横梁间距2m，为矩形截面，宽0.25m，梁高0.5～0.57m，从而形成桥面板2%的横坡，横梁由10mm和12mm厚钢板构成。横梁在结构上通过直径20mm的Bernold型螺栓与平均厚度为0.3m的钢筋混凝土桥面板相连。
为了不使拱轴力的水平分力传至拱座，设计了连接拱脚和纵梁端的两根斜撑，斜撑锚固在拱座顶部。斜撑截面为空心矩形，外形尺寸为1m×0.5m，由20mm和25mm厚钢板构成，在纵横向均设置了内部加劲。
图3 拱与纵梁的典型横断面
难度最大的连接之一是斜撑（矩形截面）与拱脚（三角形截面）之间的连接。这个连接件直接由盆式支座支撑（图4），并且进行了强有力的加劲。
两侧人行道与车行道之间由拱圈分隔。人行道由支撑在连接于纵梁上间隔2m的横向悬臂肋上的钢筋混凝土板构成。
栏杆设计有木制扶手，截面为椭圆形，2m一根的不锈钢曲线形扶手支柱与横向肋末端相接，形成一个整体。
结构特性
这座桥的设计和分析执行E3标准第1.4篇，包括文献参考和现有欧洲协会的建议。
图5 使用阶梯最不利组合状态反力与轴力分布
结构计算是通过一种标准有限元程序，建立多种不同模型来模拟不锈钢在超过60%常规弹性极限（0.2%屈服应力：f0.2）应力状态下的弱化现象和钢筋混凝土板在开裂区域的裂缝效应。常规模型结合了杆系和壳体单元。
对于频繁荷载组合，钢应力控制在75%f0.2以内，对于特征荷载组合，钢应力控制在90%f0.2以内。
施工工艺
在拆除旧桥的同时，这座桥于2004年10月动工，并于2005年6月的第一个星期竣工。
不锈钢结构的建造过程类似于碳钢结构，但并不相同，不锈钢要采用特殊的方法来切割、弯曲、成型、焊接和抛光。不锈钢焊接耗材也必须是特殊的，以保证与基材相同的机械力学性能和腐蚀性能。
焊接技术采用的是堡金属电弧焊（SMAW），这种焊接技术使用惰性气体包覆焊条、金属惰性气体（MIG）、管状焊丝电弧焊（FCAW）和潜弧焊（SAW），在两次连续的焊接之间，不需要预热，温度也不会超过1500C。焊接会使被焊金属产生氧化，表面颜色也会发生显著变化并出现纹理，所以要通过后期加工来处理。这对保证表面精整、颜色和纹理达到要求是必不可少的。焊缝上的固体焊渣通过化学处理（酸洗）来清除，酸洗剂由氢氟酸和硝酸混合而成。通过酸洗四小时，可以去除在焊接时产生的杂质和氧化物，并且促进钝化层的形成。最后，为了保证构件有统一的加工表面，采用微小的玻璃球进行高压喷沙处理。
不锈钢在加工过程中或在特定场所里与其他金属的接触会造成电化腐蚀。因此，构件的制造和装配是在接触不到碳钢的地方进行。
这座桥使用起重机进行就地拼装，分成8段吊上临时支架后再进行焊接。
桥一完工就进行了静荷载试验，模拟不同的荷载阶段并测量垂直挠度。结构呈现出比预期更大的刚度。实测挠度大约是平均弹性模量E=200 GPa时理论挠度值的80%。挠曲差不多完全弹性恢复。不锈钢质量控制结果证实了0.2%的正割弹性模量比计算模型高出16%，这就能解释这次静载试验中的挠度差异。
全桥还执行了周密的质量检查程序，并因材料性能的创新将检查程序进行了强化，在工地也应用了多种技术来加强所有的焊接内部控制，比如超声波
结论
结构工程的根本发展总是和新材料的应用联系在一起。桥梁设计中先进材料应用的增多可以部分归结于政府机关这种意识的提高——材料除具有更强的机械抗性之外还需要能够减少维护。这为桥梁工程开辟了一条诱人的道路。
Cala Galdana桥，Menorca的标志，阐明了将不锈钢应用在结构工程上的巨大前景。虽然不锈钢成本明显高于传统材料（碳钢和混凝土），但由于从不锈钢减少维护上有非常可观的经济节约，基于结构寿命周期成本的经济决策增加了使用不锈钢结构的可能。
有关数据：不锈钢（t）：165（225kg/m2）
桥梁总造价：（欧元：百万）2.6
投入使用日期：2005年 6月。
资料来源：May 2006 ，Structural Engineering International
