昂船洲大橋、Cala Galdana橋的不銹鋼應用介紹
世界金屬導報2019-06-14
1 昂船洲大橋橋塔
香港昂船洲大橋為拉索結構，總長(cháng)1596m，其中主跨長(cháng)1018m。大橋橫跨藍巴勒海峽。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(zhù)寬達50m的橋面。尖塔高于海平面295m，下部為強化混凝土結構，上部的115m為由不銹鋼外皮和強化混凝土內芯構成的復合結構。
圖1為香港昂船洲大橋的單塔和拉索。
1.1選材
這座大橋的設計壽命為120年。由于大橋處于嚴酷的海洋腐蝕環(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，受持續不斷的交通流量影響，對橋塔進(jìn)行維護將會(huì )非常困難。因為不銹鋼具有的耐久性和吸引人的外觀(guān)，橋塔上部的復合結構部分選擇了不銹鋼作為外皮。如果用碳鋼，那就需要刷保護性涂層，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準的含鉬奧氏體不銹鋼，但因其設計強度相對較低（220 N/mm2)，并且，由于所設計表面的粗糙度會(huì )導致耐蝕的不確定性，而被放棄。更高合金化的奧氏體不銹鋼，如1.4539（N08904）和1.4439（S31726），因為不能滿(mǎn)足成本、可獲得性和強度方面的要求，也未對其進(jìn)行詳細考量。雙相鋼1.4462（S32205）在具有高強度（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設計
尖塔上部115m最初的設計方案是采用全鋼結構。但是，圓形塔易受渦流噴射振動(dòng)影響。調查顯示，塔頂的側向振動(dòng)頻率與懸索的自然頻率碰巧一致；這就意味著(zhù)可能由于線(xiàn)性共振而激發(fā)懸索振蕩。
為避免發(fā)生這種情況，塔上部的設計改成了用不銹鋼外皮包覆強化混凝土圓芯的復合結構，而混凝土圓芯則包裹著(zhù)鋼索的錨箱。這種設計形式使其具有更大的質(zhì)量、剛度和阻尼作用，從而改進(jìn)了對渦流噴射的反應。
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化混凝土內，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。每座塔的頂部都預留了空間，當需要抵消塔振動(dòng)時(shí)，將來(lái)可以用來(lái)安裝擺式質(zhì)量阻尼器。
塔身上部的結構能力依賴(lài)于不銹鋼表皮、混凝土核芯及錨箱之間的復合作用。剪力連接件為直徑16mm的雙相不銹鋼，長(cháng)度為300mm。連接件的數量是根據保證傳遞混凝土墻與表皮之間所有短期和長(cháng)期負載的要求而確定的，以約300mm中心距均勻分布，以防止表皮和錨箱板在達到屈服點(diǎn)前發(fā)生局部彎曲。原本可采用碳鋼柱頭栓，因為它們可以焊到雙相不銹鋼上面；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，但是，雙相不銹鋼柱頭栓具有更高的強度。
為了開(kāi)發(fā)出適合的焊接程序，在建設開(kāi)始前，制作了一圈不銹鋼表皮原型。在這個(gè)原型上對一系列的制造技術(shù)進(jìn)行了研究，以使接觸面之間接合承受得當。
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的雙相不銹鋼高強度摩擦抓緊螺栓做垂直接頭。對連接鋼板的接觸面要進(jìn)行處理，以確保摩擦系數大于0.2。螺栓經(jīng)預加荷載以達到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備都是專(zhuān)門(mén)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(shù)立組裝要先于混凝土澆筑兩圈。因搬運和樹(shù)立不銹鋼組件而需要的臨時(shí)附著(zhù)件都采用與結構部分相同鋼種的不銹鋼制造。這些附著(zhù)件一般位于建筑物完工后看不到的地方；但當無(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。焊縫區域進(jìn)行噴丸處理以保持統一的表面狀態(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的橋梁主結構全部采用不銹鋼材料。橋兩端的橋臺由強化混凝土建造，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，由于海洋性氣候導致它的結構嚴重惡化。隨著(zhù)其中一座橋臺結構支撐發(fā)生沉降后，人們決定更換這座橋梁。為了做到在低維護要求條件下的長(cháng)使用壽命，就要求采用一種高度耐用的材料。
選材時(shí)對不同種類(lèi)的碳鋼和不銹鋼進(jìn)行了考察，通過(guò)對碳鋼（S355）、奧氏體不銹鋼（1.4404/S31603）、雙相不銹鋼（1.4462/S32205）力學(xué)性能的對比，最終雙相不銹鋼1.4462（S32205）入選。該雙相不銹鋼具有高強度（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設計
支撐橋梁的兩道平行拱的跨度為45m，最高處距水面6m。安裝在橋臺臺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 )傳到基礎部分）。拱連接到縱貫橋梁全長(cháng)的兩根梁上。
這使其表現得如自錨定拱橋?？v梁支撐著(zhù)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備工作也在瑞典完成。構件在西班牙進(jìn)行組裝。
建造：主要不銹鋼結構在現場(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(cháng)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化混凝土板上。
國際鎳協(xié)會(huì )是一個(gè)代表全球鎳生產(chǎn)商的非營(yíng)利性行業(yè)協(xié)會(huì )，其使命是推廣和支持鎳的適當應用，促進(jìn)各國市場(chǎng)發(fā)展，支持新興和現有的鎳應用，包括不銹鋼，而且全力推動(dòng)科普、風(fēng)險管理并提升社會(huì )經(jīng)濟效益，以此作為公共政策和監管的基礎。通過(guò)我們的科學(xué)部門(mén)鎳生產(chǎn)商環(huán)境研究協(xié)會(huì )（簡(jiǎn)稱(chēng)NiPERA，www.nipera.org），我們也在不斷進(jìn)行與人類(lèi)健康和環(huán)境有關(guān)的前沿科學(xué)研究。
國際鎳協(xié)會(huì )是鎳及含鎳材料相關(guān)資訊的匯總中心，在亞洲、歐洲和北美洲設立了辦事處。1997年在中國設立辦事處，著(zhù)重推動(dòng)含鎳材料市場(chǎng)發(fā)展，推動(dòng)鎳在中國的公共政策和監管并共享其技術(shù)專(zhuān)長(cháng)，從而推動(dòng)鎳的可持續使用。
● 國際鎳協(xié)會(huì )是世界主要鎳生產(chǎn)商的全球性協(xié)會(huì )組織。
● 我們與其他國際金屬協(xié)會(huì )及不銹鋼研發(fā)協(xié)會(huì )合作，推動(dòng)鎳在全世界的安全使用。
● 我們通過(guò)高素質(zhì)專(zhuān)家的全球性網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行市場(chǎng)拓展，并發(fā)布關(guān)于鎳及其性質(zhì)和用途的免費技術(shù)知識，以保證最佳性能發(fā)揮以及安全操作和使用。
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