昂船洲大桥、Cala Galdana桥的不锈钢应用介绍✅

世界金属导报2019-06-14

香港昂船洲大桥为拉索结构，总长1596m，其中主跨长1018m。大桥横跨蓝巴勒海峡。大桥最为引人注目的特征是位于两端的尖锥状双子单塔，它们支撑着宽达50m的桥面。尖塔高于海平面295m，下部为强化混凝土结构，上部的115m为由不锈钢外皮和强化混凝土内芯构成的复合结构。

图1为香港昂船洲大桥的单塔和拉索。

1.1选材

这座大桥的设计寿命为120年。由于大桥处于严酷的海洋腐蚀环境中，因此要求采用具有高耐久性的材料。此外，建造完成后，受持续不断的交通流量影响，对桥塔进行维护将会非常困难。因为不锈钢具有的耐久性和吸引人的外观，桥塔上部的复合结构部分选择了不锈钢作为外皮。如果用碳钢，那就需要刷保护性涂层，这些涂层在经过约25-30年后就需要重新涂覆。

最初考虑的材料是标准的含钼奥氏体不锈钢，但因其设计强度相对较低（220 N/mm2)，并且，由于所设计表面的粗糙度会导致耐蚀的不确定性，而被放弃。更高合金化的奥氏体不锈钢，如1.4539（N08904）和1.4439（S31726），因为不能满足成本、可获得性和强度方面的要求，也未对其进行详细考量。双相钢1.4462（S32205）在具有高强度（460 N/mm2）时，还具有良好的耐蚀性和表面光亮容许度，因而被采纳。

1.2设计

尖塔上部115m最初的设计方案是采用全钢结构。但是，圆形塔易受涡流喷射振动影响。调查显示，塔顶的侧向振动频率与悬索的自然频率碰巧一致；这就意味着可能由于线性共振而激发悬索振荡。

为避免发生这种情况，塔上部的设计改成了用不锈钢外皮包覆强化混凝土圆芯的复合结构，而混凝土圆芯则包裹着钢索的锚箱。这种设计形式使其具有更大的质量、刚度和阻尼作用，从而改进了对涡流喷射的反应。

尖塔的外皮由32圈厚度为20mm的热轧不锈钢板组成，每圈的高度从5.6m到3.2m不等。呈圆锥形的塔尖部分直径自10.9m渐变为7.2m，相应的混凝土墙厚度则从1.4m降至0.8m。高度较低的三套悬索固定在塔身下部的强化混凝土内，高于这一位置的部分则建有25个锚箱，其余的25套悬索就安装在锚箱内。每座塔的顶部都预留了空间，当需要抵消塔振动时，将来可以用来安装摆式质量阻尼器。

塔身上部的结构能力依赖于不锈钢表皮、混凝土核芯及锚箱之间的复合作用。剪力连接件为直径16mm的双相不锈钢，长度为300mm。连接件的数量是根据保证传递混凝土墙与表皮之间所有短期和长期负载的要求而确定的，以约300mm中心距均匀分布，以防止表皮和锚箱板在达到屈服点前发生局部弯曲。原本可采用碳钢柱头栓，因为它们可以焊到双相不锈钢上面；由于这两种钢都会被浇注到混凝土中，所以本案不必考虑双金属腐蚀风险，但是，双相不锈钢柱头栓具有更高的强度。

为了开发出适合的焊接程序，在建设开始前，制作了一圈不锈钢表皮原型。在这个原型上对一系列的制造技术进行了研究，以使接触面之间接合承受得当。

为便于提升，每圈不锈钢外皮都制作成两半，并有25mm厚的硬化处理法兰和25mm厚的硬化处理中间环。采用直径22mm的双相不锈钢高强度摩擦抓紧螺栓做垂直接头。对连接钢板的接触面要进行处理，以确保摩擦系数大于0.2。螺栓经预加荷载以达到165kN的轴向拉力。在正常使用状态下，不允许发生滑动，但在达到最终极限状态时，允许滑动产生，而剩余的施加载荷在支座受到抵抗。

1.3制作与安装

制作：典型的半圈外皮是将四张平板通过等强焊连接起来，然后把连起来的钢板滚压成正确的形状。但是，最初的四圈每圈有5.6m高，受压弯设备宽度的限制，钢板在焊接前就被滚压出正确的曲率。

所有使用的工具和加工设备都是专门用来加工不锈钢的，为防止污染，不会用来加工其他金属材料。

安装：外皮和锚箱均用作混凝土浇筑的永久模壳。外皮和锚箱的树立组装要先于混凝土浇筑两圈。因搬运和树立不锈钢组件而需要的临时附着件都采用与结构部分相同钢种的不锈钢制造。这些附着件一般位于建筑物完工后看不到的地方；但当无法做到这样时，就在去掉临时附加件后，将不锈钢表面恢复为原指定表面。

焊接：在焊接耗材的选择上，确保焊缝金属的力学性能和耐蚀性不低于母材要求。焊缝区域进行喷丸处理以保持统一的表面状态。

2西班牙的Cala Galdana桥

Cala Galdana桥横跨Algendar河，桥的跨度为55m、宽13m。包括两道平行拱、两条的纵梁和支持桥面的横梁在内的桥梁主结构全部采用不锈钢材料。桥两端的桥台由强化混凝土建造，坐落在桩基上面。这座桥梁是欧洲第一座不锈钢路桥。

2.1选材

跨越Algendar河的一座混凝土桥使用30余年后，由于海洋性气候导致它的结构严重恶化。随着其中一座桥台结构支撑发生沉降后，人们决定更换这座桥梁。为了做到在低维护要求条件下的长使用寿命，就要求采用一种高度耐用的材料。

选材时对不同种类的碳钢和不锈钢进行了考察，通过对碳钢（S355）、奥氏体不锈钢（1.4404/S31603）、双相不锈钢（1.4462/S32205）力学性能的对比，最终双相不锈钢1.4462（S32205）入选。该双相不锈钢具有高强度（超过大部分碳钢）及良好的延展性并且在海洋环境下经久耐用。

2.2设计

支撑桥梁的两道平行拱的跨度为45m，最高处距水面6m。安装在桥台台基上的支座将水平方向的力传递到倾斜的不锈钢支撑杆上（并因此而不会传到基础部分）。拱连接到纵贯桥梁全长的两根梁上。

这使其表现得如自锚定拱桥。纵梁支撑着承载桥面的横梁。通过沿横梁焊接的剪力连接件使桥面与横梁之间产生复合作用。

图２展示了拱与纵梁的连接。

2.3制作与建造

制作：双相不锈钢钢板在瑞典生产，钢板的切割和边部处理准备工作也在瑞典完成。构件在西班牙进行组装。

建造：主要不锈钢结构在现场由8段组装而成；为便于焊接，各段被抬放到临时支撑上。剪力连接件通过手工焊接到上面。

横梁的间隔为2m，长方形中空断面，宽度为250mm，进深值为500-570mm。梁的断面厚度为10-12mm。这些横梁被连接到下面的纵梁上，并通过直径20mm的双相不锈钢剪力连接件连接到上面的强化混凝土板上。

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