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世界金屬導(dǎo)報(bào)2019-06-14

香港昂船洲大橋?yàn)槔鹘Y(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)1596m，其中主跨長(zhǎng)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(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)，上部的115m為由不銹鋼外皮和強(qiáng)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(jì)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(duì)橋塔進(jìn)行維護(hù)將會(huì)非常困難。因?yàn)椴讳P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(guò)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(jì)強(qiáng)度相對(duì)較低（220 N/mm2)，并且，由于所設(shè)計(jì)表面的粗糙度會(huì)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?yàn)椴荒軡M足成本、可獲得性和強(qiáng)度方面的要求，也未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)考量。雙相鋼1.4462（S32205）在具有高強(qiáng)度（460 N/mm2）時(shí)，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(jì)

尖塔上部115m最初的設(shè)計(jì)方案是采用全鋼結(jié)構(gòu)。但是，圓形塔易受渦流噴射振動(dòng)影響。調(diào)查顯示，塔頂?shù)膫?cè)向振動(dòng)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(jì)改成了用不銹鋼外皮包覆強(qiáng)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(jì)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(duì)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(qiáng)化混凝土內(nèi)，高于這一位置的部分則建有25個(gè)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(dòng)時(shí)，將來(lái)可以用來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)前發(fā)生局部彎曲。原本可采用碳鋼柱頭栓，因?yàn)樗鼈兛梢院傅诫p相不銹鋼上面；由于這兩種鋼都會(huì)被澆注到混凝土中，所以本案不必考慮雙金屬腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，但是，雙相不銹鋼柱頭栓具有更高的強(qiáng)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(gè)原型上對(duì)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(qiáng)度摩擦抓緊螺栓做垂直接頭。對(duì)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(dòng)，但在達(dá)到最終極限狀態(tài)時(shí)，允許滑動(dòng)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(guò)等強(qiáng)焊連接起來(lái)，然后把連起來(lái)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(lái)加工不銹鋼的，為防止污染，不會(huì)用來(lái)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(yùn)和樹立不銹鋼組件而需要的臨時(shí)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(wú)法做到這樣時(shí)，就在去掉臨時(shí)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(tái)由強(qiáng)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(tái)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(zhǎng)使用壽命，就要求采用一種高度耐用的材料。

選材時(shí)對(duì)不同種類的碳鋼和不銹鋼進(jìn)行了考察，通過(guò)對(duì)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(duì)比，最終雙相不銹鋼1.4462（S32205）入選。該雙相不銹鋼具有高強(qiáng)度（超過(guò)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(jì)

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(tái)臺(tái)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(huì)傳到基礎(chǔ)部分）。拱連接到縱貫橋梁全長(zhǎng)的兩根梁上。

這使其表現(xiàn)得如自錨定拱橋。縱梁支撐著承載橋面的橫梁。通過(guò)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(chǎng)由8段組裝而成；為便于焊接，各段被抬放到臨時(shí)支撐上。剪力連接件通過(guò)手工焊接到上面。

橫梁的間隔為2m，長(zhǎng)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(guò)直徑20mm的雙相不銹鋼剪力連接件連接到上面的強(qiáng)化混凝土板上。

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