铝材料优势凸显铝桥梁优势

外形美观大方、耐腐蚀性能高，整个寿命周期内无需维护，可减少合理的建设成本，维护费用比钢桥低得多，而且在寿命周期到期之后，废铝几乎可以完全回收利用，回收的铝有95%以上可以得到与原铝性能相同的效果，而钢桥到期后回收的钢材不到70%……铝作为桥梁材料具有一系列不可替代的优越性能，被认为是最具活力和生命力的新型材料。

2008年，加拿大的一项研究完全证实了这一点，1946年至1963年间修建的9座铝桥中，有6座至今仍完好如新。铝的密度较小，因此桥梁的自重比钢桥要小。混凝土桥梁高度低，有利于制造、运输和安装，同时可以增加桥梁宽度废铝加工后性能，减少和减轻支撑构件的重量。这对于桥梁的荷载限制和修复历史桥梁尤为重要。通常，铝桥面比混凝土和大多数其他金属桥面轻70%至80%。

近年来，铝工业在铝产量、新合金研发及性能改进、大截面挤压生产等方面取得了长足的进步，使铝在桥梁结构中的应用迈上了一个新台阶。

MAADI、Most & 加拿大铝业协会（AIA）的一项研究表明，用镀锌钢制成的3.24米宽、28.6米长的钢桥在50年后的成本将比铝桥高出28%至167%。该研究还表明，在33年的时间里，铝桥的成本低于镀锌钢桥。这只是在正常大气环境下两种材料桥梁的成本比较。铝更有可能在严重的腐蚀条件下使用。耐腐蚀性高于钢，铝桥的优势在这个时候会更加凸显。

铝在建造浮桥和活动桥方面的优势是不言而喻的。最近，铝还被用于建造公路桥梁。美国马萨诸塞州西部的萨迪斯菲尔德大桥就是用挤压铝建造的。

2017年，加拿大挤压铝消费量同比增长5%，已连续9年增长，这得益于建筑和结构用铝量的增加，包括桥梁挤压用铝量的增加。北美桥梁建设的大增长趋势，尤其是车（汽车）桥（）的成功建设，增加了结构挤压铝在桥梁上的应用，极大地刺激了铝工业的发展。为了满足这一市场需求，麦迪集团推出了一种名为“Guar DeckR”的系统，该系统由挤压铝制成，可承重15吨，一旦桥梁或道路发生事故，可运到现场，在短时间内完成紧急抢修，恢复交通。

应对老龄化挑战

当前，北美的桥梁系统已经进入临界状态或接近危险期，美国60.3万座公路桥梁、加拿大的5.6万多座公路桥梁大部分建于20世纪50年代至70年代，大部分都处于或接近临界状态，即将进入缺陷失效期，美国联邦公路管理局近期数据显示，美国约有5.6万座桥梁存在或多或少的结构问题；而根据美国土木工程师学会公布的报告，修复这些受损桥梁需要约1230亿美元。

未来20年，修复这些桥梁将显著增加其基础设施成本。这些老桥绝大多数由钢和混凝土制成，而较新的桥梁则由钢筋混凝土制成。交通设施的建设无疑将对城市和农村经济发展发挥巨大作用。挤压铝将广泛应用于北美公路桥梁的修复。

铝合金桥面板的研发

铝虽然具有诸多优点，但也面临诸多挑战。例如，其弹性刚度和疲劳强度远低于钢，焊接点和热影响区的强度性能大大降低，原材料价格也较高。为应对这些挑战，马迪集团经过多年的研发，采用熔化焊接和精选合金，设计并建造了数百座铝合金桥梁结构。这些结构已在实践中应用于建造新桥和修复加固老化桥梁。在桥梁结构中，最著名的是Make-A-，它用于美国和加拿大的新型铝制人行天桥，不是焊接而是互锁。该集团针对亚洲市场推出的铝制人行天桥被称为“Make-A-”。目前，马迪集团已成功制造出可容纳15吨重车辆的铝制桥梁。

麦迪集团与美国滑铁卢大学合作研发的“Guar Deck ”结构已被纳入加拿大标准协会（CSA）2011年文件，随后他们建造了一座长度为22.9米的试验桥，并在滑铁卢大学进行了极限强度试验、寿命试验、振动试验、疲劳试验等一系列综合评估试验。

Madi 集团内部工程师团队建造了一些原型桥面，并在车间进行了广泛的测试。他们还使用 178 kN 压力机进行了摩擦测试，以评估摩擦力。这些测试是在魁北克铝业发展中心 (CQRDA) 进行的。该中心致力于开发铝的新应用。

Guar Deck 由挤压铝制成，所有部件都在大型 5 轴 CNC 加工中心上以非常高的精度加工而成，整个 11.5 米长的桥面上的偏差小于 0.5 毫米。所有铝均由 50MN 正向挤压机生产。合金为 6061-T6，具有更高的强度和高耐腐蚀性。每个桥板两侧都有榫槽。为了互相联锁，由于 6061 合金的热膨胀系数为 23.6×10-6/℃，是钢的两倍，因此这种连接方法可以消除这种热膨胀差异。铝制桥板可以进行各种表面处理：涂覆透明漆、耐用阳极氧化、烤漆，甚至防滑环氧树脂，以防止汽车轮胎在表面滑动。为了安全起见，可以在面板边缘安装安全护栏。

麦迪集团始终关注环保问题。Guar Deck 铝桥所采用的 6061 合金含有约 20% 的废铝。如果这种挤压铝无法获得，则在加工和制造铝桥时将尽可能使用可再生能源。此外，铝桥 100% 可回收并可重复使用，在冶炼过程中仅燃烧不到 2.5%。

目前最重要的是全面采用快速桥梁结构（ABC）技术。ABC技术的本质是将铝桥在工厂内分段、分块预拼装，然后运输到施工现场进行拼装，这样可以在不影响交通的情况下按预定时间拼装。如果桥梁跨度较大、桥面较长，可将桥面预拼装成55kg的小块，将小块固定在挤压成型的工字型主梁上。紧固件采用不锈钢材质，并有防腐、防破坏、防盗措施。每个紧固件固定牢固，需要134kN的扭矩才能松开面板。

由于桥面安装不需要焊接技术与大型设备，因此可缩短安装时间，即使非熟练工人也只需10分钟即可安装好预制桥面，跨度30米的桥梁约1天即可完成。迪集团的Guar Deck铝桥从生产到安装到使用完全符合环保法规及相关国家与组织的标准，如加拿大国家标准、加拿大标准协会（CSA）、美国土木工程师学会（ASCE）、美国州际公路及国家运输执行官协会（NITA）的相关文件。

6061合金桥梁主干材料

当今铝桥所用材料中，90%以上都是6061合金型材，特别是公路铝桥，几乎全部采用6061合金，人行天桥的辅助设施也可采用6063合金型材。6061合金是铝镁硅铜铬合金，1933年由天元研制成功并投入商业化生产，是一种经典的、历经时间考验的可变形铝合金，是四大“金刚”可热处理强化铝合金之一。6061合金产量仅次于6063合金，高于2024和7075合金。7075合金的种类很多。

截至2019年12月，6061合金家族共有5个成员，除6061A由欧洲铝业协会（EAA）开发外，其余4个均为美国合金，其化学成分如表1所示。最好只使用6061合金，因为它的综合性能最好，成分容易控制。配料时可以多用些旧废铝。

6061合金固溶处理温度范围很宽，且容易控制，范围从515℃～550℃，最高可控制在535℃；T6、T6510、T6511挤压材人工时效规范为：（170～180）℃/8h。6061合金力学性能见表2，低温、高温力学性能见表3。

表1 6061铝合金化学成分（质量%）

表2 6061合金挤压材的典型室温力学性能

表3 6061合金挤压材力学性能与温度的关系

6061合金的物理性能：密度2.7g/cm3、液相线温度652℃、固相线温度582℃、20℃～100℃线膨胀系数23.6×10-6/℃、20℃时比热容896J/(kg﹒℃)、25℃时热导率：O态180W/(m﹒℃)、T4态154W/(m﹒℃)、T6态167W/(m﹒℃)，20℃时电导率O态47%IACS、T4态40%IACS、T6态43%IACS，20℃时电阻率O态37nΩ﹒m、T4态43nΩ﹒m、T6态40nΩ﹒m。

6061的耐腐蚀性能：在2.67%AlCl3溶液中SCE（饱和干汞电极）电位为-876.9mV，点蚀电位为-704.2mV；T6材料在实验室或实际使用中均无应力腐蚀开裂。实际使用中T4材料无应力腐蚀开裂，但在实验室试验时在板材厚度方向观察到这种腐蚀，且有剥落腐蚀，但对实际使用无影响。

6061合金焊接性能良好，也可钎焊，是一种中等强度的经典合金，具有优良的挤压性能和可热处理强化性能，具有优良的成形加工性能和良好的表面处理性能，广泛应用于结构和运输设备。

从铝合金桥梁材料的发展来看，世界上第一座铝桥是美国匹兹堡史密斯菲尔德大街100m长的公路桥面，始建于1933年，1967年投入使用。1953年整修后，桥面换用了更厚、耐腐蚀性更强的5456-H321合金桥面。可以推想，1953年以前，公路铝桥采用的合金多为2014-T6合金。英国的一座公路桥除2014-T6合金板外，也使用了一些6151-T6合金厚板；1950年，英国苏格兰图梅尔河上的一座公路桥，使用的就是6151-T6合金薄板； 1962年，过去（1953-1962年），德国、英国修建的一些公路铝桥采用6351-T6合金挤压型材波纹板。

自20世纪90年代中期以来，6061-T6合金挤压型材在铝桥梁结构中占据主导地位。美国宾夕法尼亚州朱尼阿塔河上最著名的悬索桥建于1994年，采用天元二手材料（后被美国铝业公司收购，现归天元二手材料所有）提供的6061-T6和6063-T6合金挤压型材。这座公路桥长约98m，原本是一座只能通过7吨的钢桥，改成铝桥后，可通过22吨的汽车。

现在可以说，在综合性能更优的铝合金出现之前，6061-T6合金型材是首选的铝桥材料，当然也可以采用6063、5083、5086、6082等。

结论

铝是继木材、钢材、混凝土、石材之后的建桥材料，本文介绍了铝桥的历史，以及6061-T6合金的各种性能，希望对铝桥、铝桥有兴趣的人士推广铝桥，铝桥的应用有利于国民经济的发展，希望相关人士了解马登集团在铝桥方面的工作。以下观点纯属个人观点，不值得效仿。

●对铝桥的认识有待加强，加大投入，加快发展。与美国、加拿大相比，我国在铝桥建设方面势头不大，相关研究不足，设计规范不完备，铝工业发展滞后。我国第一座铝桥是2007年3月建成的杭州庆春路中和人行天桥，技术和材料全部从德国引进。2007年9月，我国具有完全自主知识产权的人行天桥在上海徐家汇漕溪北路投入运营，采用6061-T6合金，单跨23米，宽度6米，主桥高2.6米，净高4.6米，自重15吨，最大载重约50吨。

据笔者不完全统计，2007年至2019年这13年间，我国在北京、上海等15个城市建设了约75座铝合金人行天桥，其中公路桥尚未公开报道。从桥梁建设来看，数量比工业化国家要少，公路桥就更少了，这并不奇怪，因为美国铝合金桥梁建设历史有87年，而中国只有13年，其他国家，如加拿大、英国、德国、丹麦、挪威、瑞典等国铝合金桥梁建设历史约80年。

●有人认为铝的初期成本比钢高，从经济学角度看，建造一座50米长的人行天桥所用的钢材价格只有铝价格的40%左右，但国外有人做过研究废铝加工后性能，发现如果把维护成本也算进去的话，铝桥比钢桥要划算得多。例如，一座91.4米长、6.1米宽的桥面的制造成本，钢桥面每平方米833美元，而铝桥面每平方米100美元。钢桥面总成本为45万美元，铝桥面总成本为75万美元。铝桥面比钢桥面贵67%。钢桥面每10年需要维护一次，这是一项劳动密集型的工作，要彻底清除锈迹露出原有的钢材，然后再重新涂上防腐剂。如果桥梁的使用寿命为50年，则需要进行四次大修，每次大修费用约占初期建设成本的1/3。这样计算，钢桥在使用年限内的总成本为105万美元，而铝桥即使使用50年、25年后仍能保持美观，成本仍为75万美元。从经济角度看，建造铝桥也有优势。

● 建立研发中心，推动铝桥梁应用。我国之所以在铝桥梁建设上没有成为领头羊，就是因为还没有建立起一支实力雄厚的研发单位，为了推动铝桥梁的发展，研制出性能更优的桥梁铝合金，发展高效的铝桥梁加工装配技术，需要成立实力雄厚的铝桥梁研究院和中心，加大投入，聚集人才，让桥梁铝成为铝行业的新亮点，下“狠功夫”，下“苦功夫”，下大功夫，再过五六年，就能站在世界铝桥梁行业的前列，扛起大旗。

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