复合材料满足威尔士海港的需求

2014-10-30  来源1:复材在线 作者:复材在线 浏览次数:10360 收藏  |  分享

桥梁历来主要是由钢或混凝土制造而成,很少考虑到用替代材料。然而,在过去的15 到20 年中,我们已经看到了在桥梁建设中FRP 复合材料越来越多地得到应用。FRP 复合材料桥梁的简史在欧洲,玻璃钢复合材料最初的应用仅限于行...
桥梁历来主要是由钢或混凝土制造而成,很少考虑到用替代材料。然而,在过去的15 到20 年中,我们已经看到了在桥梁建设中FRP 复合材料越来越多地得到应用。

FRP 复合材料桥梁的简史

在欧洲,玻璃钢复合材料最初的应用仅限于行人和自行车桥,而现在则服务于上百个应用中。在美国,复合材料桥面和有的横梁正越来越多地用于行人和公路桥梁建设,但100%的复合结构尚不多见。

在英国,100%的FRP 复合材料桥仍然为数不多,还没有作为主流结构出现。大多数应用都涉及到桥面和护栏系统中复合材料的使用,采用拉挤工艺沿着钢或混凝土主要结构元件制造而成, 或用于加强现有的钢或混凝土结构。

这种缓慢的卷取技术是多种原因的结果:

◆缺乏相关的设计规范
◆缺乏有使用FRP 材料经验的结构工程师
◆缺乏对纤维增强聚合物材料性能的一般认识
◆缺乏可靠的材料性能数据

许多大学却迟迟没有将显著的复合材料元素增加到自己的材料和工程模块,这抑制了复合材料在建筑行业中的应用的增长。然而,随着相关设计规范的开发和引进,如新的欧洲规范和NGCC(建筑行业的网络集团复合材料)、英国复合材料以及其他专业行业协会开展的工作,应用程序的数量开始增长。

在英国,高速公路局和铁路网已经尝试使用玻璃钢桥梁。2002 年完成的Asset West Mill 公路桥是第一个100% 的玻璃钢英国公路桥,铁路网已经完成了三项全复合材料的人行天桥,每座桥都使用了不同的建筑方法。

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第一座桥安装在圣奥斯特尔,并使用一系列的拉挤成型整流罩来建造。靠近布莱克浦的Bradkirk 桥,是由AM 结构公司于2009 年建造的,是三者中唯一成型的桥梁。第三座桥安装在道利什站,它是使用拉挤成型、夹芯板和模制楼梯来进行建造的。

模制工艺有许多优点:

◆为建筑师提供了更大的自由度
◆导致结构更有效并且材料使用更科学,从而降低重量
◆使得结构使用较少或没有连接, 这样可靠性会更高,同时安装成本也会更低

然而,由于模制桥梁的几何形状更复杂,这就要求有更高水平的工程技巧。拉尔海港吊装大桥就是这样的一座桥梁。

设计创新——标志性的结构

为了响应登比郡议会关于横跨北威尔士拉尔港的一个新的升降桥的要求, Ramboll 和Dawnus 制定了一个设计方案,包括2 个镜像30 米长的桥面,其铰接在中央沉箱,且可用电缆抬起到中央桅杆。近50 米高的桅杆被类似于帆船绳索一样的索具固定住,这样使得桥梁和港口从几英里外就可见。滑轮机构及起重电缆都位于中央桅杆的里面。

安装的桅杆直达较低的横支杆和单纯的架构上部。桅杆是由双相不锈钢制成的。

新的桥梁作为一个额外的人行横道服务于行人和骑自行车的人,横跨克卢伊德河,该河从拉尔西帕雷迪一直到Kinmel 湾边新建的公共区域。设计典雅的开放式轻量级桥梁已经成为一个标志性建筑,吸引了众多游客前往该地区。

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轻巧和雕刻的桥面形状

为了给桥梁上游的停泊处提供一个通道,新的行人和自行车道路很可能一天开通几次,登比郡议会对最小化每个起重作业所消耗的能源很感兴趣。采用模压结构FRP 复合材料的桥面成为了设计理念的一个组成部分,以尽可能多地节省重量,减少提升时间并降低能耗。更具纹刻装饰性的桥面形状也是可能的,当桥打开时便可以看到一个引人注目的标志性的景象。

Ramboll 在2009 年年初就接触了AM 结构公司,讨论了跨度桥梁施工的概念,并提供有关生产工艺和重量估计的反馈。AM 结构公司与固瑞特公司合作,讨论了桥的结构,并初步研究证实一些小的改动底部几何形状的桥梁概念是可行的,且与钢结构相比,FRP 桥面会在很大程度上节省重量。更新的设计被证明是成功的,AM 结构公司因此拿到了Dawnus 的设计及建造合约,制造两个桥架。

深入分析动态行为

由于固瑞特以前有过关于Bradkirk 大桥和其他许多轮廓结构的合作,AM 结构公司签约了固瑞特以开展桥面的详细结构工程。这些提出了一些有趣的挑战。部分出于美观的考虑,桥面很修长, 但是同时还要确保近海救生艇有足够的空间来通过所有潮位降低的桥梁。由于复杂的几何结构以及桥面轻巧修长的设计,须详细考虑行人荷载下的桥梁动态行为。

这座桥主要是用具有纵向刚性碳纤维的玻纤增强材料设计而成。内部结构由一系列的横舱壁和纵向梁铺设到一个雕刻结构外壳。桥面被制造成典型的三明治形式,并用专有的防滑耐磨层封顶。用螺栓固定在内部横舱壁的栏杆安装支架是不可见的。

固瑞特广泛利用有限元分析,通过使用欧洲规范的负荷模型来进行桥梁的瞬间动力学分析。除了人群荷载情况, 也分析了大量的负载条件,如行人群体步行和跑步过桥。该分析针对桥面板的纵向和扭转刚度优化了层压板,以满足所需的舒适度标准。

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制造的质量控制

使用客户端的几何3D 文件直接注塑模具是由数控加工制造的,采取发泡聚苯乙烯泡沫,用环氧树脂层压板清除表皮层,然后进行整形和打磨,以达到所要求的高质量。AM 结构公司建造桥梁时采用了固瑞特CorecellTM M-Foam,Ampreg21 环氧树脂以及玻璃纤维和碳增强材料的混合物。

QE1200 编织玻璃多轴用于大多数结构,可以使得每公斤的增强材料成本得以降低。为了降低劳动成本,更好地控制成品层压件的纤维体积部分,利用机器将盖织物浸湿。玻璃纤维织物双轴(典型的是XE900)用于齿桥结构内过度绑扎和加固链接。碳木板被纳入桥面和下桥结构以提供纵向强度和刚度,这些碳木板由UC800 单向碳制成。

客户免费提供了各种用于铰链和吊点的钢材制造以及用于栏杆安装的不锈钢板。AM 结构公司将这些加入到了该结构中事先准备好的开孔。一个调节夹具确保了桥梁吊装铰链支架系统可以很好地被定位。

AM 结构公司和威兹复合材料公司签订了合同,就质量保证需求提出了建议,开展质量计划活动,并就质量控制活动,测试和文档也提出了建议。在项目的一开始就制定了全面的质量计划, 从而可以确保成品结构的质量控制。

确保像桥梁这样的主结构的制造质量,总是客户和终端用户所关注的问题, 他们往往不熟悉FRP 复合材料及其制造工序。对于钢结构,典型的质量控制制度涵盖了材料性能和证书,焊工资质, 焊接耗材证书,焊接工艺评定,焊接的非破坏性试验等,而这些程序都很容易理解和记录。

对于复合材料结构,在制造的过程中材料性能才得以展现出来,因为叠层基体内的树脂固化使得固化系统属性的确认过程,比仅仅从供应商那儿获得的钢厂材料证明书要更加复杂。然而,在许多其他方面,复合材料结构的质量保证过程就是钢制部件同样过程的真实写照,帮助客户树立信心,并且保证了该结构能以结构工程师所预测的方式呈现。

拉尔海港大桥质量保证制度是比较全面的,包括了材料认证和可追踪性, 结构的组成部分包括主体表面、舱壁和桥面的批量测试。进行的试验包括用层压板测试来验证层压板的力学性能,以及用DMA 测试来验证固化状态和树脂混合比例的准确性。

在桥梁桥面里面,AM 结构公司提供了切口,并为一系列变色LED 灯安装了线槽,确保了在黑暗中吊起桥梁时展现出一个相当壮观的景象。

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运输和安装

在AM 结构公司的怀特岛工厂里,桥面建造的景象非常壮观。用汽车轮渡到大陆发货,然后继续运至威尔士,再将桥面吊装到位,这些都吸引着大家。

每座桥的跨度像是音叉的形状,它被纵向分割以减少其宽度,方便为公路和轮渡运输。完成后的人行道宽度为4 米,最宽处每个支柱间是3 米宽。每一半在出厂时被预装其匹配一部分,以确保结合比较完美。曾经现场每个跨度的两个部分用固瑞特Spabond340LV 结构胶粘合在一起,并且用两排螺栓固定。到桥内部的入口,通过设在桥面表面的舱口来实现。一个完成的跨度,不包括铰链和栏杆配套钢结构, 总重量为10.6 吨。钢结构增加了额外的3.2 吨到每个跨度。比混凝土或钢要节约很多的替代品出现了。

到2013 年7 月中旬,当30 米长的桥面吊装到位时,数百人蜂拥到里尔用自己的相机捕捉这一精彩时刻。

新的通道需要一个朗朗上口的名字,所以命名比赛开放给当地的小学生。一个独立的调查小组考虑了超过30 个名字,最后选择了“Pont y Ddraig”(龙腾大桥),这是一个学生提议的。这座桥于2013 年10 月22 日向公众开放,当时所有参加了命名比赛的学生参与了跨越大桥的第一次步行。(end)

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