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复合材料桥梁开辟新天地

复合材料桥梁开辟新天地


最近,华盛顿州杜瓦尔附近成功组装了一座复合材料拱形公路桥。该桥由华盛顿州交通部(WSDOT)设计并监督制造。当局对这种替代传统桥梁建设、具有成本效益和可持续性的方案赞不绝口。


就在不久前,一项联邦禁令要求华盛顿州交通部在2030年前在该州西北部的州立公路下重建约400个鱼栏。这些鱼栏会取代公路和桥梁下的现有涵洞,不仅可以使水流自由流动,还可以让鲑鱼、库克鱼、奇努克鱼和钢头鱼轻松游过,达到恢复自然溪流栖息地的目的。


鱼栏最初计划采用地下结构方案,由预制混凝土制成的分体式箱涵能较好满足该需求,但制造如此大需求量的预制构件将使该州生产能力紧张。于是,华盛顿交通部考虑了其他方案,并选择了先进基础设施技术公司(Advanced Infrastructure Technology / AIT)旗下的AIT桥梁公司(AIT Bridges)的复合材料桥梁结构。该公司发展了最初由缅因大学先进结构和复合材料中心为军队开发的复合材料桥拱技术,并且还开发了可以铺放到桥拱上的玻璃纤维增强塑料制成的桥面板。


AIT桥梁公司在其位于缅因州布鲁尔的工厂生产空心管状桥拱(GArches)和玻璃纤维增强塑料桥面板(GDeck)。现场只需要进行简单组装,将桥面板覆盖到桥拱上,然后再填上钢筋混凝土即可。自2008年以来,该公司已经组装了30个复合材料桥梁结构,大部分在美国东海岸。


杜瓦尔的这座50英尺长的桥位于203号州际公路上的卢茨溪上。由于场地陡峭,建造一座预制桥需要租用和运输大型起重机来将桥体吊装到位。然而,对于复合材料部件,总承包商古德费罗兄弟(Goodfellow Brothers)只需要一台叉车和若干带子。华盛顿州交通部桥梁和结构工程师马克·盖恩斯说:"应用复合材料结构部件为项目节省了一大笔钱,因为动员各种资源去调动大块的混凝土是非常昂贵的操作。


复合材料桥梁结构的另一个好处是它们的长寿命和低生命周期成本。AIT桥梁集团总裁兼总工程师肯·斯维尼说:“如果桥梁结构能有超过百年的寿命,而且后期维护量非常小,这是可持续性问题考量的重要突破。长期来看,混凝土桥会产生裂缝,内部的钢筋结构会生锈,最终会污染桥梁下方的水域。但这些都不会发生于应用复合材料的桥梁结构中。此外,与混凝土预制结构相比,建造复合材料桥梁所需的材料更少。”


在将独家合同授予AIT桥梁公司之前,华盛顿州交通部仔细审查了所有关于复合材料桥拱抵御火灾和漂浮木头等物体撞击的能力的工程数据。盖恩斯表示:“地震也是一个关注点。这次项目是我所知道的第一次在高地震区使用复合材料桥拱,所以我们想确保它符合抗震设计要求。我们向AIT桥梁公司抛出了许多有难度的问题。但最后,他们对我们提出的所有问题逐一进行了回答,我们也就能更放心地推进项目了。"


分析结果显示,复合材料桥梁可以应对几乎任何危险情况。斯维尼表示:“我们发现这座桥实际上比现在的传统结构更具抗震性,刚性混凝土结构不能轻易地随着地震波移动,而柔性的复合材料桥拱可以随地震波摇摆,然后回到原来的位置。这是由于在复合材料桥梁结构中,混凝土钢筋嵌套在空心管道里,可以在空心管道移动并得到缓冲。为了进一步加强桥梁,AIT用碳纤维加固了连接桥拱和混凝土基座的锚。”


本项目的12个桥拱每个都有300磅重,跨度最大54英尺。为了把它们运到工作现场,AIT把它们切成两半,并做了一个套筒,在现场把它们拼接起来。两辆平板车将它们运往全国各地,在三天的运输过程中不需要有关部门重量或尺寸的额外许可。41块拉挤的玻璃纤维增强塑料桥面板,总跨度为49英尺,采用AIT的设计,并由Creative Pultrusions公司制造,用的另一辆卡车运送。


总承包商为了给复合材料桥梁组装创造空间,清除了现场26,000立方码的土。一旦场地准备就绪,一周半的时间就完成了组装。在复合材料桥拱和桥面组装完成后,承包商在这个基础上建造了一个沥青路面,以承载更大的交通流量。这座耗资820万美元的大桥最终于2020年8月重新通车,而这条路段仅封闭了30多天。华盛顿交通部盖恩斯对工程如此迅速完工表示赞赏:“尽管我们知道这在现场会很快被搭建起来,但其迅速程度还是让我们感到惊讶。”


随着项目的成功,华盛顿州交通部更新了其桥梁规格标准,允许建造更多的复合材料桥梁。斯维尼也希望大家能体验到复合材料桥梁提供的诸多好处,鼓励西海岸进一步采用复合材料桥梁结构。加州将是AIT桥梁公司的下一个拓展目标。



本文由中国复合材料工业协会综编,文章观点不代表本会立场。本文不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。

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