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中年|减排耐久的新型钢梁体系


缅因大学高级结构和复合材料中心、美国高级基础设施技术公司（AIT）及其分公司美国高级基础设施技术中心桥梁分公司（AIT bridges）近期联合开发了一种新型复合材料——槽形钢梁（CT） ， 这种钢梁通常被用于公路桥、铁路桥和人行天桥的建造 。 据美国高级基础设施技术中心桥梁分部（AIT Bridges）称 ， 这种复合材料钢梁由纤维增强聚合物制成 ， 比普通钢梁和混凝土梁分别轻50%和75% ， 该公司自2010年以来一直致力于将这种材料应用在复合拱桥系统中 。
中年|减排耐久的新型钢梁体系
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【中年|减排耐久的新型钢梁体系】

新型复合槽形钢梁提高设计可行性

目前 ， 美国高级基础设施技术公司共生产了五片复合材料槽形钢梁 ， 并已成功将这些产品应用在了第一座桥梁工程中：这座桥坐落于美国东北部的缅因州汉普顿小镇 ， 将替换位于索达斯库克溪流（Souadabscook Stream）之上的格力斯特·米尔大桥（Grist Mill） 。 该桥的建设是缅因州交通厅正在进行的Route 1 A公路项目中的一段 ， 整个公路项目全长2.8公里 。 2019年8月 ， 缅因州交通厅总工程师乔伊斯·泰勒(Joyce Taylor)在接受当地媒体采访时说道：“将这种钢梁应用在实际工程中 ， 工程师们感到非常兴奋 。 我们正在寻找其他机会将这项技术应用在即将开工建设的项目中 ， 我们非常乐意将这项技术与全国其他州的交通部门分享 。 ”
担任这座大桥主设计任务的是林同棪国际公司 ， 他们采用了传统的混凝土桥面和不锈钢加固 。 整个施工过程于2020年6月开始 ， 一旦完成 ， 缅因大学将对大桥进行测试和监测 ， 此举将为这种新型钢梁的未来应用积累可靠数据 。
复合材料槽形钢梁的生产需要使用一种粘合树脂对槽形模具进行复合纤维层加固 。 因其结构体大小和规模的不同 ， 钢梁的尺寸也不尽相同 。 针对格力斯特米尔桥 ， 制造团队定制了一条长24.4米的模具进行钢梁生产 。 最终生产的钢梁长23.2米 ， 高1.2米 ， 宽1.2米 。

美国高级基础设施技术公司-桥梁分公司总裁兼总工程师肯·斯维尼（Ken Sweeney）表示 ， 相比混凝土和钢材 ， 使用纤维增强复合材料（FRP）加固大梁有诸多好处：“首先 ， 经纤维增强复合材料加固的构件更具耐久性 。 纤维增强复合材料是一种具有耐腐蚀性和抗疲劳性的材料 ， 这两点也是桥梁设计过程中需要考虑的重要方面 。 其次 ， 材料在很大程度上优化了设计和可行性 。 通过改变纤维类型和基质材料 ， 我们可以设计出更经济、更高效的结构 。 ”同时 ， 该公司还表示 ， 相比于混凝土和钢材 ， 复合纤维材料对环境的影响要小得多 。 斯威尼表示：“生产混凝土和钢材所需要能源至少是生产碳纤维和其他纤维增强复合材料所需能源的2～3倍 。 另外 ， 相比于它们 ， 纤维增强复合材料更轻 ， 在运输过程中将减少大量的碳排放 ， 在安装过程中碳排放量也相应会减少 。 ”
“此外 ， 从长远的碳排放来看 ， 钢铁和混凝土材料也饱受诟病 ， 因为这些材料在未来服役过程中需要进行大量维护 ， 设计使用寿命也只能达到75年 。 ”他补充说 。 除此之外 ， 为了帮助新一代桥梁业主减少现有桥梁因维修养护而造成的财政压力 ， 减轻桥梁设计公司的工作量 ， 建设团队从一开始就确信我们需要的是不同于以往的材料 。

为了实现这个目标 ， 美国高级基础设施技术公司-桥梁分公司与缅因大学高级结构与复合材料中心进行了合作 。 两个组织都有开发纤维增强复合材料的历史 ， 并且相互间的合作可以追溯到美国高级基础设施技术公司的成立 。 美国高级基础设施技术公司致力于将复合拱桥系统的商业化 ， 在21世纪初 ， 缅因大学为其提供了主构件的设计思路 。
新型复合材料系统可用于美国80%的新建桥梁
自2010年投入使用以来 ， 复合拱桥系统已在国内外中、小跨径桥梁建设中得到了广泛应用 。 这种复合拱桥系统由轻质耐腐蚀纤维增强复合材料拱管组成 ， 其主要用途是作为现浇混凝土的模板和加固材料 。
据斯维尼介绍 ， 目前市场上还有一段空白亟待攻克 。 他说道：“凭借高级基础设施技术公司在行业内数十年的经验 ， 以及对基础设施市场的了解 ， 我们发现 ， 在一些受几何约束较大的中、小跨径桥梁项目上 ， 复合拱桥系统还无法提供很好的解决方案 。 ”
“当注意到这种市场的需求以后 ， 我们联系了缅因大学 ， 希望可以和他们合作 ， 共同开发一种梁桥结构 。 也希望通过向市场提供不同的解决方案 ， 填补自身的拱桥系统空白 。 在这次合作中 ， 缅因大学在研发方面 ， 主要负责分析软件、层压结构研发和生产方法研究 。 ”

该公司对复合材料槽形钢梁的开发始于2016年夏季 ， 主要目的是为了提供一个低维护使用寿命达到100年 ， 跨度在9.1米-30.5米的复合桥梁结构 。 为了实现这个目标 ， 该产品设计团队首先调查了过去30年内桥梁建设过程中所使用的所有复合材料 。
“通过查阅各种文献综述 ， 我们从成功案例中吸取有益经验 ， 并将其形成概念和想法 。 再把这些想法和高级结构、复合材料进行专业的测试和分析 ， 与高级基础设施技术公司在行业发展、市场运作和设计敏感性相结合 ， 利用新一代复合材料的优势 ， 从设计和安装的角度创造一个便捷的桥梁系统 。 ”
复合材料槽形钢梁系统主要用于新建桥梁 ， 高级基础设施技术公司-桥梁分公司认为 ， 这个系统可以用在美国80%的新建桥梁中 。 然而 ， 虽然现在运用在桥梁修复中还存在许多不确定性 ， 未来随着该系统不断地完善 ， 预计还将会运用在桥梁修复项目中 。
本文刊载 /《桥隧产业》杂志 2020年 7月刊 总第41期
作者 / Khalifa Bokhammas
文章来源 / Bridge Design &amp Engineering杂志


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