昂船洲大橋、Cala Galdana橋的不銹鋼應(yīng)用介紹
世界金屬導(dǎo)報2019-06-14
1 昂船洲大橋橋塔
香港昂船洲大橋為拉索結(jié)構(gòu)，總長1596m，其中主跨長1018m。大橋橫跨藍(lán)巴勒海峽。大橋最為引人注目的特征是位于兩端的尖錐狀雙子單塔，它們支撐著寬達(dá)50m的橋面。尖塔高于海平面295m，下部為強化混凝土結(jié)構(gòu)，上部的115m為由不銹鋼外皮和強化混凝土內(nèi)芯構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
圖1為香港昂船洲大橋的單塔和拉索。
1.1選材
這座大橋的設(shè)計壽命為120年。由于大橋處于嚴(yán)酷的海洋腐蝕環(huán)境中，因此要求采用具有高耐久性的材料。此外，建造完成后，受持續(xù)不斷的交通流量影響，對橋塔進(jìn)行維護(hù)將會非常困難。因為不銹鋼具有的耐久性和吸引人的外觀，橋塔上部的復(fù)合結(jié)構(gòu)部分選擇了不銹鋼作為外皮。如果用碳鋼，那就需要刷保護(hù)性涂層，這些涂層在經(jīng)過約25-30年后就需要重新涂覆。
最初考慮的材料是標(biāo)準(zhǔn)的含鉬奧氏體不銹鋼，但因其設(shè)計強度相對較低（220 N/mm2)，并且，由于所設(shè)計表面的粗糙度會導(dǎo)致耐蝕的不確定性，而被放棄。更高合金化的奧氏體不銹鋼，如1.4539（N08904）和1.4439（S31726），因為不能滿足成本、可獲得性和強度方面的要求，也未對其進(jìn)行詳細(xì)考量。雙相鋼1.4462（S32205）在具有高強度（460 N/mm2）時，還具有良好的耐蝕性和表面光亮容許度，因而被采納。
1.2設(shè)計
尖塔上部115m最初的設(shè)計方案是采用全鋼結(jié)構(gòu)。但是，圓形塔易受渦流噴射振動影響。調(diào)查顯示，塔頂?shù)膫?cè)向振動頻率與懸索的自然頻率碰巧一致；這就意味著可能由于線性共振而激發(fā)懸索振蕩。
為避免發(fā)生這種情況，塔上部的設(shè)計改成了用不銹鋼外皮包覆強化混凝土圓芯的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而混凝土圓芯則包裹著鋼索的錨箱。這種設(shè)計形式使其具有更大的質(zhì)量、剛度和阻尼作用，從而改進(jìn)了對渦流噴射的反應(yīng)。
尖塔的外皮由32圈厚度為20mm的熱軋不銹鋼板組成，每圈的高度從5.6m到3.2m不等。呈圓錐形的塔尖部分直徑自10.9m漸變?yōu)?.2m，相應(yīng)的混凝土墻厚度則從1.4m降至0.8m。高度較低的三套懸索固定在塔身下部的強化混凝土內(nèi)，高于這一位置的部分則建有25個錨箱，其余的25套懸索就安裝在錨箱內(nèi)。每座塔的頂部都預(yù)留了空間，當(dāng)需要抵消塔振動時，將來可以用來安裝擺式質(zhì)量阻尼器。
塔身上部的結(jié)構(gòu)能力依賴于不銹鋼表皮、混凝土核芯及錨箱之間的復(fù)合作用。剪力連接件為直徑16mm的雙相不銹鋼，長度為300mm。連接件的數(shù)量是根據(jù)保證傳遞混凝土墻與表皮之間所有短期和長期負(fù)載的要求而確定的，以約300mm中心距均勻分布，以防止表皮和錨箱板在達(dá)到屈服點前發(fā)生局部彎曲。原本可采用碳鋼柱頭栓，因為它們可以焊到雙相不銹鋼上面；由于這兩種鋼都會被澆注到混凝土中，所以本案不必考慮雙金屬腐蝕風(fēng)險，但是，雙相不銹鋼柱頭栓具有更高的強度。
為了開發(fā)出適合的焊接程序，在建設(shè)開始前，制作了一圈不銹鋼表皮原型。在這個原型上對一系列的制造技術(shù)進(jìn)行了研究，以使接觸面之間接合承受得當(dāng)。
為便于提升，每圈不銹鋼外皮都制作成兩半，并有25mm厚的硬化處理法蘭和25mm厚的硬化處理中間環(huán)。采用直徑22mm的雙相不銹鋼高強度摩擦抓緊螺栓做垂直接頭。對連接鋼板的接觸面要進(jìn)行處理，以確保摩擦系數(shù)大于0.2。螺栓經(jīng)預(yù)加荷載以達(dá)到165kN的軸向拉力。在正常使用狀態(tài)下，不允許發(fā)生滑動，但在達(dá)到最終極限狀態(tài)時，允許滑動產(chǎn)生，而剩余的施加載荷在支座受到抵抗。
1.3制作與安裝
制作：典型的半圈外皮是將四張平板通過等強焊連接起來，然后把連起來的鋼板滾壓成正確的形狀。但是，最初的四圈每圈有5.6m高，受壓彎設(shè)備寬度的限制，鋼板在焊接前就被滾壓出正確的曲率。
所有使用的工具和加工設(shè)備都是專門用來加工不銹鋼的，為防止污染，不會用來加工其他金屬材料。
安裝：外皮和錨箱均用作混凝土澆筑的永久模殼。外皮和錨箱的樹立組裝要先于混凝土澆筑兩圈。因搬運和樹立不銹鋼組件而需要的臨時附著件都采用與結(jié)構(gòu)部分相同鋼種的不銹鋼制造。這些附著件一般位于建筑物完工后看不到的地方；但當(dāng)無法做到這樣時，就在去掉臨時附加件后，將不銹鋼表面恢復(fù)為原指定表面。
焊接：在焊接耗材的選擇上，確保焊縫金屬的力學(xué)性能和耐蝕性不低于母材要求。焊縫區(qū)域進(jìn)行噴丸處理以保持統(tǒng)一的表面狀態(tài)。
2西班牙的Cala Galdana橋
Cala Galdana橋橫跨Algendar河，橋的跨度為55m、寬13m。包括兩道平行拱、兩條的縱梁和支持橋面的橫梁在內(nèi)的橋梁主結(jié)構(gòu)全部采用不銹鋼材料。橋兩端的橋臺由強化混凝土建造，坐落在樁基上面。這座橋梁是歐洲第一座不銹鋼路橋。
2.1選材
跨越Algendar河的一座混凝土橋使用30余年后，由于海洋性氣候?qū)е滤慕Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重惡化。隨著其中一座橋臺結(jié)構(gòu)支撐發(fā)生沉降后，人們決定更換這座橋梁。為了做到在低維護(hù)要求條件下的長使用壽命，就要求采用一種高度耐用的材料。
選材時對不同種類的碳鋼和不銹鋼進(jìn)行了考察，通過對碳鋼（S355）、奧氏體不銹鋼（1.4404/S31603）、雙相不銹鋼（1.4462/S32205）力學(xué)性能的對比，最終雙相不銹鋼1.4462（S32205）入選。該雙相不銹鋼具有高強度（超過大部分碳鋼）及良好的延展性并且在海洋環(huán)境下經(jīng)久耐用。
2.2設(shè)計
支撐橋梁的兩道平行拱的跨度為45m，最高處距水面6m。安裝在橋臺臺基上的支座將水平方向的力傳遞到傾斜的不銹鋼支撐桿上（并因此而不會傳到基礎(chǔ)部分）。拱連接到縱貫橋梁全長的兩根梁上。
這使其表現(xiàn)得如自錨定拱橋?？v梁支撐著承載橋面的橫梁。通過沿橫梁焊接的剪力連接件使橋面與橫梁之間產(chǎn)生復(fù)合作用。
圖２展示了拱與縱梁的連接。
2.3制作與建造
制作：雙相不銹鋼鋼板在瑞典生產(chǎn)，鋼板的切割和邊部處理準(zhǔn)備工作也在瑞典完成。構(gòu)件在西班牙進(jìn)行組裝。
建造：主要不銹鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場由8段組裝而成；為便于焊接，各段被抬放到臨時支撐上。剪力連接件通過手工焊接到上面。
橫梁的間隔為2m，長方形中空斷面，寬度為250mm，進(jìn)深值為500-570mm。梁的斷面厚度為10-12mm。這些橫梁被連接到下面的縱梁上，并通過直徑20mm的雙相不銹鋼剪力連接件連接到上面的強化混凝土板上。
國際鎳協(xié)會是一個代表全球鎳生產(chǎn)商的非營利性行業(yè)協(xié)會，其使命是推廣和支持鎳的適當(dāng)應(yīng)用，促進(jìn)各國市場發(fā)展，支持新興和現(xiàn)有的鎳應(yīng)用，包括不銹鋼，而且全力推動科普、風(fēng)險管理并提升社會經(jīng)濟(jì)效益，以此作為公共政策和監(jiān)管的基礎(chǔ)。通過我們的科學(xué)部門鎳生產(chǎn)商環(huán)境研究協(xié)會（簡稱NiPERA，www.nipera.org），我們也在不斷進(jìn)行與人類健康和環(huán)境有關(guān)的前沿科學(xué)研究。
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