铝将助力桥梁工程实现重大突破

本文编译自《Light Metal Age》

Langenuen大桥是挪威正在建造的一个大型铝桥项目（来源：海德鲁）

多年以来，铝已用于各个行业。对于大多数人而言，在各种日常产品中发现铝材已是司空见惯的事情。然而，许多人可能没有意识到的是，铝可以在桥梁结构中取代其它材料，并具有施工方便、延长桥梁使用寿命以及降低维护成本的优势。

铝在桥梁上已经使用了大约80年，所以它确实有历史。但说实话，它的故事一直很零散。然而，随着国际合作的不断加强，正在制定更好的解决方案。加拿大和挪威的新项目正在为铝行业，尤其是挤压铝材行业带来契机。其它项目正在考虑标准化使用铝的桥梁设计，开发新的人行天桥和车辆桥，并更换老化的基础设施。如今，来自世界各地的行业专家正在努力展示铝的价值，并扩大其在桥梁设计中的应用。

背景

宾夕法尼亚州匹兹堡的Smithfield街大桥建于1933年，有铝制栏杆和铝制桥面。这是首次报道在桥梁中使用结构铝。

从那时起，可参考的铝桥梁的数量一直很少。最著名的可能是加拿大的Arvida大桥，位于魁北克市以北约120英里处，被称为土木工程的杰作。1950年建成后，它也成为世界上第一座完全用铝建造的公路桥。这座153米长的拱桥至今仍屹立不倒，由于耐腐蚀，其维修仅限于更换混凝土桥面和几个铝构件。该桥的主要铝部件不需要任何维护。

加拿大的Arvida大桥

然而，在经历了65年之后，下一座铝制车辆运输桥才得以建成。魁北克省的Saint-Ambroise大桥于2015年安装，由钢梁上的铝桥面组成。尽管很少有代表性的例子，但在桥梁中使用铝具有令人难以置信的潜力。

利用铝

为什么未来的桥梁会含有更多的铝？AluQuébec的顾问Mario Fafard博士拥有数值建模博士学位，曾任魁北克拉瓦尔大学教授，他列举了几点。铝是加速施工和安装的理想选择，与其他材料（使用可再生能源生产时）相比，铝的碳足迹更低，并且由于其对大气腐蚀的高抵抗力，与混凝土、钢和木材设计相比，铝降低了维护成本。但铝的轻质是关键因素。在同等刚度下，铝桥的重量比钢桥轻两倍，比混凝土桥轻四倍。轻型桥面减少了上部结构的负载，从而释放了承载能力，这在大跨度桥梁上尤为重要。

另一个重要因素，是铝是完全可回收的。这对于全球推动更可持续的解决方案和降低碳足迹这一环境问题尤为重要。幸运的是，在全球范围内，铝行业以相当快的速度增加了回收能力，从而提供了更多的回收铝。

特别一提的是，铝挤压件特别适合人行天桥和汽车桥的设计。设计师指出，其它建筑材料（譬如钢和复合材料），没有铝挤压制品那样具有创造力的潜力，因为它们有更多的局限性。

将铝挤压件提供的灵活性和创造性，与利用搅拌摩擦焊接将挤压件连接在一起以制造桥面的能力相结合，为桥梁所有者提供了市场上最具成本效益的解决方案。加拿大咨询公司WSP的结构设计师Benoît Cusson说：“搅拌摩擦焊极为实惠。它不仅性能好，而且极为划算。我认为我们这样说并为为过。”

桥梁需要大型挤压件，找到桥梁建设者所需的承载力和长度仍然是一个挑战。但在海德鲁从事业务开发的工程师Thomas B.Svendsen指出，情况正在改善。他解释说：“挤压件是人行天桥和公路桥的必要部件。”。

挪威和加拿大的新项目

海德鲁是挪威铝生产的领导者，致力于在包括桥梁在内的多个领域推广铝材料的可能性。Svendsen说，铝的特性极其适合桥梁建设。他认为，最近的转变引发了人们对新材料的兴趣。“今天还有其他观点和争论，”他说。“其中包括气候、环境节约、价值链，以及对可持续性的更多关注。除了成本之外，减排也是一个新的因素。”

Svendsen谈到了在更大、更全面的项目中使用更多铝的优势，包括在交通基础设施中。尤其是在桥梁方面，挪威的几个新项目表明，铝确实有一席之地。

一个案例是Langenuen大桥，这可能是目前挪威国内正在开发的最令人振奋的项目。这是挪威雄心勃勃的E39无渡轮项目的一部分，旨在为该国西海岸提供更顺畅、更高效的旅行路线。位于卑尔根南部的Langenuen Sound大桥将使用铝建造。

据Svendsen介绍，海德鲁自2016年以来一直致力于Langenuen项目。“E39项目的开发商想了解整个成本情况，以及其他行业的技术是否有帮助。他们想了解材料、供应链和建筑，还想从石油行业等方面获得经验。然而，他们没有考虑铝材，”他解释道。“当我们开始这项研究时，我们首先必须得出结论，从技术上讲，用铝建造这种尺寸的桥梁是可能的。我们还考虑了使用铝与钢的成本。铝通常比钢更贵，但会产生许多协同效应。例如，用铝减轻重量有助于减少混凝土的用量。”

对更少混凝土的需求，也意味着二氧化碳排放量的减少。混凝土是世界上使用最多的建筑材料，占世界温室气体排放量的5-8%。水泥是混凝土中的实际粘合剂，其产量占混凝土排放量的80-90%。

另一个大型桥梁项目正在加拿大魁北克省北部的拉瓦尔大学进行，那里的气候条件恶劣。运输车辆桥将由钢梁上的挤压铝桥面组成。挤压件将使用气体保护焊（GMAW）连接在一起。运送木材的卡车能够在座大桥上行驶。

Fafard说，这座桥将由该大学的研究人员进行监测。他指出：“我们估计，在桥梁的整个生命周期内，由于铝结构的维护成本较低，这座桥梁的总拥有成本将低于混凝土或钢桥。”。

Svendsen对此表示赞同，并补充说，挪威科技大学最近完成的一篇硕士论文表明，传统桥梁的维护成本往往超过建设成本。他还指出，除了成本，碳足迹已经成为新设计的必要条件。挪威正在开发的另一个新项目——一座横跨Trondheim铁路线的人行天桥（图1）——正在考虑使用100%的再生铝。

一座由100%再生铝制成的人行天桥，预计将横跨挪威特Trondheim的铁路线（来源：海德鲁）

标准化与协作

魁北克省有50多座铝制人行天桥。桁架是这些桥梁施工的主要系统。与钢制解决方案相比，这些桁架和桥梁设计已经优化，几乎标准化，并且在应用中越来越受欢迎。最近，加拿大标准协会（CSA）发布了题为“行人、自行车和多用途桥梁设计指南（CSA S7:23）”的新文件，其中包括铝作为这些桥梁的材料。

Cusson说：“每当你有一个现有的结构，并试图在现有的桥梁上增加一座新的人行天桥或附属设施时，这些都是我们近几个月看到的项目类型，表明铝结构更具成本效益和耐用性。铝材也简化了施工工序。（因为）起重机会更小，对交通的干扰也会越来越小。”

除了在WSP的工作外，Cusson还是魁北克一个工作组的成员，该工作组由桥梁设计师、制造商和桥梁所有者组成。仅去年一年，他就对自己所经历的一切感到乐观。他说：“我们在工作组中的成员大大增加了。我们看到了更多的动力，来自每一家主要工程公司的代表都加入了这个工作组。”

这一势头延续到他在铝结构章节中修改加拿大公路桥梁设计规范CSA S6:19的工作中，他在此项工作中担任副主席。Cusson解释说，该组织在其最近的标准（将于2025年发布）中对铝结构条款进行了许多修改，部分原因是有更多的参与者参与。他说：“我们关注的是简单、简约和高效。例如，我们将在铝面章节增加一个新的部分，并向设计师提出建议。我们正在加快步伐。”

2023年10月，Cusson在魁北克市举行的国际铝会议（INALCO）上发表了主题演讲，该会议由铝集团AluQuébec和铝研究中心REGAL组织。在演讲中，他谈到了加拿大的情况，加拿大正在开发越来越多的人行天桥和汽车桥用铝项目。除了魁北克省北部的大型项目外，这些开发项目还包括两座庞式桁架人行天桥和一座人行天桥，80米长的桁架连接到曲梁结构上。此外，AluQuébec正在与工程公司和制造商合作，在未来三年内开发一座完全由铝制成的桥梁，包括一个连接到铝梁的桥面。

INALCO会议还提供了许多旨在在新桥梁中生产更多铝的新想法。这包括一个使公路桥梁更容易制造的开发项目。Cusson表示，该项目可能会发展成为一项国际合作，因为会议吸引了来自瑞典、德国、挪威、荷兰、意大利、加拿大和美国的代表，这是自20世纪90年代以来首次建立全球科学团体。该小组的一个目标可能是使北美和欧洲之间的设计规范标准化，另一个目标则可能是使相关国家的交通部门更加紧密地联系在一起。

分担与开发新解决方案有关的费用，也是一个目标。Cusson说：“共同开发解决方案对每一方都有利。我觉得相关领域的发展水会结束。”

瞄准公路桥梁

公路车辆桥是铝行业的难点，这仅仅是因为建造此类桥梁所需的大量铝。Cusson指出：“随着铝面板和搅拌摩擦焊接的使用，我们看到了新的想法，包括现代化的应用。实际上，我们可以为公路车辆桥梁设想新型的解决方案。”

Fafard对此表示赞同，并补充道，在交通部门将铝材料纳入标准材料之前，公路桥梁中使用铝的游戏规则可能不会改变。它还要求桥梁所有者允许在施工材料的选择中包括铝，并考虑到所有权的总成本和材料的环境足迹。该行业现在必须跟进。他说：“我们有标准和设计规则。现在是使用这些设计规则并应用新的解决方案。目前，没有更多的主要障碍。”

然而，较小的障碍仍然存在。在世界各地，土木工程项目通常不包括铝作为结构设计中使用的材料。例如，加拿大只有三个土木工程项目将铝设计作为选项。

Fafard表示，另一点是，交通部门和私人工程公司的工程师往往不熟悉铝材料，因此他们倾向于使用钢设计桥梁。即使规定了铝，工程师有时也会尝试用钢代替铝。

未来的桥梁

20世纪50年代至70年代，美国和加拿大建造了约66万座公共道路桥梁。根据美国联邦公路管理局编制的2021年国家桥梁清单，美国有43000多座桥梁状况不佳

2023年出台的《两党基础设施法》将投资400亿美元修复和重建国家桥梁。这对铝来说是一个巨大的机会。通过这项新法律，拜登政府启动了一项计划，以改善约15000座公路桥梁，以及不属于联邦公路系统的桥梁。桥梁改善计划预计将花费400多亿美元来修复和重建国家桥梁，使其成为“自艾森豪威尔时代州际公路系统建设以来最大的桥梁专项投资”

与此同时，俄罗斯铝业协会宣布开通该国第一座铝路桥。该桥长72米，位于Tolokontsevo–Mogiltsy高速公路上。跨度和正交异性板均由铝合金制成。该桥梁结构包括四个铝跨度结构，每个跨度为18米，并使用搅拌摩擦焊接连接。

事实上，铝在桥梁中的应用前景光明。Cusson总结道：“未来几年，我觉得对我们来说将是激动人心的。”

（作者：Kevin Widlic，原载于Light Metal Age,尚轻时代编译）

参考文献：

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,”Presented 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.