鋁合金橋梁建設研究的國內(nèi)外文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u24960鋁合金橋梁建設研究的國內(nèi)外文獻綜述 176001鋁合金材料 1154642國外鋁合金橋梁建設 2237033國內(nèi)鋁合金橋梁建設 4257134鋁合金人行橋的人致振動 71鋁合金材料1Aluminumalloymaterial鋼材是目前世界各國在橋梁領域較為常見的建筑材料，但是其有一個較大的缺陷——耐腐蝕性差。隨著工業(yè)發(fā)展水平的提高，鋁合金材料得以出現(xiàn)并得到了廣泛應用。由于鋁合金材料焊接性能良好、耐腐蝕性能優(yōu)良、輕質(zhì)高強和韌性高等特點[8]，在許多領域如軍工制造、包裝行業(yè)、航天航空等領域均得到了廣泛的應用。隨著人類社會的不斷發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)的要求越來越高，鋁合金人行橋作為一種新型橋梁很好的迎合了人類發(fā)展的需求。鋁合金材料由于具有容易加工制作、容易養(yǎng)護、耐久性良好以及重量輕等特點，使得鋁合金結(jié)構(gòu)在橋梁領域的應用越來越多。鋁合金材料的密度較鋼材較小，僅為鋼材密度的三分之一;在尺寸一致的情況下，鋁合金人行橋的自重僅為剛橋的一半。因此如果將鋁合金材料用于人行天橋的上部結(jié)構(gòu)不僅減少橋梁建造材料損耗，還可以大大降低結(jié)構(gòu)自重，從而同時也降低了對地基承載能力要求，大幅度降低了地基的建造費用。此外，鋁合金人行橋建成以后后期的維護運營費用相對于其他材料的橋梁而言很少，因此采用鋁合金人行橋能夠在很大程度上降低橋梁全生命周期的建設成本。與鋼結(jié)構(gòu)的橋梁相比，鋁合金橋梁的優(yōu)點有以下幾點:(1)鋁合金材料具有輕質(zhì)高強的特點，因而可以使得鋁合金橋梁的上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較小，提高了橋梁的跨越能力，同時較輕的自重可以降低基礎的承載能力要求，節(jié)省橋梁下部結(jié)構(gòu)的建設成本。(2)鋁合金橋梁構(gòu)件質(zhì)量輕巧，便于工廠制作加工以及運輸安裝。(3)鋁合金橋梁密度較低，對于起重機械設備要求較低，可廣泛應用于活動橋梁、可移動橋梁領域等，方便安裝吊運。(4)鋁合金材料與鋼材相比具有很好的耐腐蝕性能。鋁合金中的鋁金屬能夠和氧氣反應在其表面生成一層致密的氧化鋁薄膜，這層薄膜能夠有效防止內(nèi)部金屬的進一步氧化，在很大程度上提高了鋁合金的抗氧化腐蝕的性能，有效降低了鋁合金橋梁后期的防腐蝕和養(yǎng)護的成本。(5)鋁合金材料便于回收且回收剩余價值高，有利于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。此外，鋁合金結(jié)構(gòu)橋梁在采用合理的設計方案前提下，采用工廠預制橋梁構(gòu)件、再運輸?shù)跹b的方式建造時，其初期造價與鋼結(jié)構(gòu)橋梁所差無幾。但是對比兩者的全生命周期的成本時不難發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁是遠高于鋁合金橋梁的，由此可見鋁合金結(jié)構(gòu)的橋梁較鋼結(jié)構(gòu)的橋梁更具競爭力。2國外鋁合金橋梁建設2Foreignaluminumalloybridgeconstruction2.1加拿大鋁橋建設(AluminumbridgeconstructioninCanada)上世紀五十年代，加拿大在賽右奈河上建起了一座單孔跨徑長達90m的鋁合金橋，該橋建設總共消耗鋁合金材料163噸，相比于同型號的鋼結(jié)構(gòu)橋梁其重量還不到鋼橋的一半。圖2-1加拿大魁北克阿爾維達橋Figure2-1Avidabridge2.2美國鋁橋建設(Americanaluminumbridgeconstruction)美國在上世紀五十年代末，在修建公路時人們開始注意到鋼材價格的上漲和鋼結(jié)構(gòu)橋梁后期運營維護的費用使得鋼橋全生命周期的成本過高，人們發(fā)現(xiàn)如果采用鋁合金結(jié)構(gòu)來建造橋梁時雖然初期費用較高，但是鋁合金橋在工廠預制、吊運安裝和后期的保養(yǎng)維護方面的優(yōu)勢來彌補。五十年代末至六十乃年代初美國共修建了7座鋁合金橋，其中有四座修建在哈爾瓶塞長島上。橋梁選用的鋁合金是鋁鎂硅合金，其橋跨為24m，全橋僅在混凝土車道相接處涂刷油漆保護橋體，充分利用了鋁合金材料耐腐蝕性能優(yōu)越的特點。2.3挪威鋁橋建設(Norwayaluminumbridgeconstruction)挪威于上世紀九十年代末在諾爾蘭郡修建了本土第一座鋁合金橋——福什穆公路橋，該橋梁的主梁結(jié)構(gòu)采用的是兩個箱梁，箱梁的上翼緣有作為橋面板使用，橋梁全長為39m。圖2-2福什穆公路橋Figure2-2FushmuHighwayBridge2.4英國鋁橋建設(AluminumbridgeconstructioninUK)上世紀四十年代末英國在薩色蘭郡建立起了歐洲的第一座鋁合金橋梁梅德韋河橋。該橋是一座用于跨越梅德偉河和鋁合金人行橋，其跨徑長達180m，主體采用懸索結(jié)構(gòu)。圖2-3梅德韋河橋Figure2-3MedwayRiverBridge2.5荷蘭鋁橋建設(AluminumbridgeconstructioninHolland)早在上世紀五十年代荷蘭就在阿姆斯特丹建造了本土第一座鋁合金橋梁。又于六十年代初在安娜保羅娜成功建造了另一座鋁合金橋梁。此外，荷蘭還將鋁合金橋面板用于舊橋的改造，荷蘭先后于1958年和1985年在阿姆斯特丹和鹿特丹兩地完成橋面板的更換工作。1999年末至2000年初，荷蘭又建造了兩座鋁合金橋梁，且均位于海爾蒙德，海爾蒙德公路橋就是其中的一座。圖2-4海爾蒙德公路橋Figure2-4HelmondHighwayBridge3國內(nèi)鋁合金橋梁建設3Domesticaluminumalloybridgeconstruction我國于2007年3月建成了國內(nèi)首座鋁合金橋梁——杭州市慶春路中河人行天橋，該工程所用到的鋁合金材料為6082-T6鋁合金是從國外進口。通過5大預制組件的現(xiàn)場吊裝才建成了整座人行天橋，主體呈現(xiàn)“工”字形形狀，該橋梁的主跨結(jié)構(gòu)長度取39m，其他的浮橋跨度位于15-25m之間不等，該橋橋下預留了供無軌電車和行人通行的凈空空間，凈空空間高度從4.8m到5.3m不等，天橋距離橋底2.5m至3.2m，也在很大程度上滿足了行人的通行高度要求。此外，建設部門還在天橋的四個腳上安裝了用于克服通行凈空無法滿足使用要求的這一技術(shù)難題的四對上下自動扶梯，很好地解決了中河路和慶春路在交叉路口處行人和機動車爭道矛盾日漸嚴重突出問題。圖3-1春路中河人行天橋Figure3-1ChunluZhonghepedestrianoverpass我國的第二座鋁合金人行天橋是上海徐家匯區(qū)的一座人行天橋，該橋是我國第一座在技術(shù)上自行設計并且生產(chǎn)鋁合金橋梁構(gòu)件最后有本土企業(yè)吊運安裝的的鋁合金橋梁并正式于2007年9月正式投入使用，從生產(chǎn)建造到投入使用僅用了37天。該橋的設計師是任教于同濟大學的沈祖炎，該橋的外形與外灘的白渡橋相似，建造該橋梁的主要作用是為了連接徐家匯地區(qū)的第六百貨商場和太平洋百貨商場。該鋁橋的主體結(jié)構(gòu)為單跨23m，橋面寬度為6m，橋梁的凈高為4.60m，主橋的高度為2.60m。該橋在設計和材料的選取上充分利用了鋁合金材料的輕質(zhì)高強的特性使得該橋總質(zhì)量僅僅只有150kN，但是其承載能力卻可以高達50噸，遠比“地下鐵路上方建造人行天橋的總荷載必須在700kN以內(nèi)”的標準水平安全系數(shù)高，有利于保障該地區(qū)地下鐵路的安全運營。由此可見，隨著地鐵建設的發(fā)展起來，輕質(zhì)的鋁合金人行橋必然有著更高的建設意義。建設該人行天橋，不僅連接了各大商場，帶來了更多促進經(jīng)濟發(fā)展的商機;同時，也緩解了該路段擁擠的交通現(xiàn)狀。圖3-2徐家匯人行天橋Figure3-2Xujiahuipedestrianoverpass我國建造的第三座鋁合金橋梁是北京市的西單商業(yè)區(qū)的一座人行天橋，該橋是當今世界上最大的高強度鋁合金人行天橋，該橋的主要鋁合金建筑材料是由國內(nèi)生產(chǎn)的6028-T6，并由外資公司建造橋梁的上部結(jié)構(gòu)。該橋的主跨跨徑為38.1m，橋面寬度為8m，主橋高度取的是4.1m，鋁合金橋欄的凈高高度為5.1m，總長度為84m。與杭州市慶春路中河人行天橋不同的是，該橋不僅配備了自動扶梯，還配備了一部專為殘障人士服務的殘疾人升降平臺，充分體現(xiàn)出了我國社會主義社會對殘障人這一弱勢群體的關懷。該鋁橋的新建的一號采用“U”型結(jié)構(gòu)，其主要功能是將君太百貨商場與中友百貨商場連接起來;新建的二號天橋采用的是“Z”型結(jié)構(gòu)，其主要的功能是將西單商場與西單國際大廈相連接。該人行天橋的順利建立，不僅為提高西單的購物環(huán)境質(zhì)量、促進西單的經(jīng)濟發(fā)展做出了貢獻;同時，該橋作為交通系統(tǒng)的組成部分，該路段行人和機動車混行以及人流量分流的不合理所造成的交通擁堵的難題，使該區(qū)域的交通更加的方便、便捷，消除了原來存在的交通隱患。圖3-3西單商業(yè)區(qū)人行天橋Figure3-3PedestrianoverpassinXidanbusinessdistrict4鋁合金人行橋的人致振動4Humaninducedvibrationofaluminumalloyfootbridge4.1人行橋人致振動(Pedestrianinducedvibrationoffootbridge)當行人在橋面行走時，在步伐荷載的作用下會使得橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，一般稱之為人行橋人致振動。行人作為對人行橋橋梁結(jié)構(gòu)施加步伐荷載的主體，對橋梁自身的振動保持著較高的敏感性，而且還會根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的自身振動動態(tài)的調(diào)整自身前行的動作來達到自身肢體平衡以及穩(wěn)步前行的目的[8]。行人荷載的這一施加特性使得在橋梁結(jié)構(gòu)振動和行人步伐力的施加之間形成一種反饋機制，這種反饋機制就是人橋動力相互作用效應[10]。因此，在行人荷載激勵下發(fā)生的行人和橋梁的共振不單單外力作用下的強迫振動，而是一種動態(tài)的行人在豎直方向上與橋梁產(chǎn)生相互作用時產(chǎn)生的一種復雜的強迫結(jié)構(gòu)振動形式。但是由于目前我們還尚未在人-橋動力相互作用領域開展深入的研究，缺乏對這方面深層次的研究，而目前人行橋人致振動的計算方法僅有以強迫振動作為理論基礎的通過簡化參數(shù)來計算行人和鋁合金橋梁相互作用時對橋梁結(jié)構(gòu)振動幅的影響[9]，但往往會導致較大的誤差[10]。4.2行人步行過程簡介(Briefintroductionofpedestrianwalkingprocess)從人體的運動學的觀點來看，行人在橋面上的步行過程是由多個步行循環(huán)所構(gòu)成的。在每一個步行循環(huán)中，行人依次用左腳和右腿支撐整個形體的重心，達到向前移動行走的目的。對于每一條腿，在每一個循環(huán)中都需要經(jīng)歷這三個階段：單腿支撐、雙腿支撐以及向前移動。單腿支撐階段從另一個腳趾離開地面開始，到另一個腳跟著地結(jié)束，整個過程與另一條腿向前在同一時間段內(nèi)發(fā)生；腿部支撐階段從相對的腳跟著地開始，一直到該腳趾離開地面；向前階段也是發(fā)生在另一條腿的單腿支撐的時間段內(nèi)。因此，在描述人體步行這一過程時所采用的基本元素是腳尖離開地面和腳跟到達地面。除此之外，行人荷載下在豎直方向上的分量外觀與M狀相似，而這就是行人在橋面上步行這一特征動作對鋁合金橋橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學效應[15]。。根據(jù)生物力學領域近幾年的有關研究結(jié)果，行人在橋面上移動時，在重心伴隨肢體運動而向前移動的同時，行人荷載也將隨之移動，它的移動軌跡類似于半徑R=0.145H的圓弧，H表示行人身高[11]。4.3行人動力學模型(Pedestriandynamicsmodel)從以上的分析結(jié)果來看，為了模擬行人在橋面上行走移動時的肢體動作特點，我們將人體與橋面接觸的下肢部分假想成圓弧型的可以滾動的物體且具有一定的質(zhì)量，同時將下肢看作是具有一定彈簧剛性的剪力臂，如此我們便可以得到模擬行人在橋面上行走的力學基本單元。如下圖4-1中所示，質(zhì)量物塊M代表的是假定集中作用于人體的髖關節(jié)處的橋面上行人質(zhì)量，彈簧剛性剪力臂則是用于模擬具有一定伸縮性并且可傳遞軸力、剪力的行人下肢，小輪P模擬的是人體膝蓋處的關節(jié)且可以無摩擦地沿豎直方向滾動來將彈簧K兩端的剪力傳遞下去，(L0+R)的值代表下肢在自由伸長狀態(tài)下從腳底至髖關節(jié)的長度，半徑為R的圓弧形物塊C則是在模擬行人下肢與橋面接觸的腳掌，隨著圓弧形物塊C向前傾斜滾動，它可有效地模擬橋面上的行人腳底上壓力中心的前移和變化過程。圖4-1行人動力學模型基本力學單元[12]Figure4-1Basicmechanicalelementsofpedestriandynamicsmodel[12]4.3.1單腿支撐階段行人動力學模型行人在橋面上行走前進的過程中，當有有一條腿向前擺動前進時只有另一條腿支撐著軀體時，由于行人的單腿質(zhì)量僅占人體總質(zhì)量的17.1%而且單腿的重心一般在行人膝蓋的上緣部位，所以我們可以不考慮行人在行走過程中的擺腿這一動作對單腿支撐狀態(tài)時的對行人動力模型的影響。為了簡化計算，我們可以假定行人在橋面上行走時行人和橋面之間的接觸面試粗糙的且行人的腳底和橋面之間不會發(fā)生相對滑動。根據(jù)以上所做的假設，我們可以得到如圖4-2所示的模型，行人的質(zhì)量M假定集中于點CoM處，彈簧的剛度假設為K、其長度用L1表示，圓弧形結(jié)構(gòu)物塊模擬行人腳底的半徑為R，θ1為彈簧軸線與豎向方向之間的夾角，并且規(guī)定按照逆時針為負、順時針為正取值，A點即為當θ1=0時的行人腳底與橋面之間的接觸點，A'點則表示當前行人腳底與橋面之間的接觸點，即行人腳底壓力中心處的作用點，r表示的是以A點作為運動參考系的行人軀體質(zhì)量中心CoM的運動位移。圖4-2單腿支撐階段行人動力學模型[12]Figure4-2Pedestriandynamicsmodelinsinglelegsupportstage[12]根據(jù)上圖4-2，θ1、L1是此模型僅有的兩個自由度，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學中的第二類拉格朗日方程寫出該模型的動力方程如下式(4-1)所示:(4-1)4.3.2雙腿支撐階段行人動力學模型為了方便該階段行人動力模型的說明，我們將行人的雙腿分為受荷支撐腿和卸荷支撐腿，受荷支撐腿和卸荷支撐顧名思義即分別為在前進方向上處于前方和后方的腿。在行人在橋面上行走的雙腿支撐階段，行人動力模型則是由均與橋面接觸的卸荷支撐腿模型和受荷支撐腿模型構(gòu)成的，如下圖4-3所示，該模型是通過鉸接的方法將兩個基本的單腿模型在行人的軀體重心合成一體。在圖4-3中，在模型雙腿支撐初始時刻tHC的狀態(tài)下兩個單腿模型各自對應的彈簧長度分別為L10、L20，L1、L2則是表示在tHC+Δt時刻時的兩彈簧各自分別對應長度;θ10、θ20分別表示的是該模型在tHC時刻狀態(tài)下卸荷支撐腿模型與受荷支撐腿模型各自的彈簧與豎直方向之間的夾角(正負方向規(guī)定同前)，θ1、θ2則為該模型在tHC+Δt時刻狀態(tài)下兩支撐腿各自對應的夾角;Δθ1、Δθ2表示在Δt時間段內(nèi)兩支撐腿各自與豎直方向之間的夾角的變化量，Δs1、Δs2則是代表該模型支撐腿腳底的壓力中心處的水平方的向位移變化量;LCOP表示該模型在初始時刻tHC狀態(tài)下行人腳底壓力中心之間的間距，其余未作解釋的物理量同單腿支撐模。圖4-3雙腿支撐階段行人動力學模型[12]Figure4-3Pedestriandynamicmodelinthestageofdoublelegsupport[12]根據(jù)圖4-3我們可以的得出，相對于單腿支撐階段行人動力學模型，我們在雙腿支撐階段所建立的行人動力學模型與單腿支撐階段所建立的行人動力學模型相比無疑是更加復雜的。在圖中涉及到的變量θ1、θ2、L1、L2中，因為兩單元間采用鉸接方式來連接，所以此模型只有兩個自由度。其行人動力學方程簡化如下式(4-2)所示: (4-2)式中，為拉格朗日乘子。4.3.3行人步行過程動力學分析由單、雙腿支撐階段得出的方程(4-1)、(4-2)可以得出，在行人初始起步時的條件下(以單腿支撐模型起步為例，當θ1=0時，L1=0，θ1的值只取決于行人步行速度υP)，對行人在橋面上步行過程中的動力學分析可以借助微分方程數(shù)值求解方法。在利用方程(1)進行數(shù)值積分時，另一側(cè)的腿在邁步時要保持與豎直方向的夾角θ20大小不變，數(shù)值積分的結(jié)束時間為另一側(cè)腿的腳跟著地時刻，這時求解方程(4-2)的初始條件即為方程(4-1)在該時間段內(nèi)的狀態(tài)變量;同理，在利用方程(4-2)進行數(shù)值積分時，數(shù)值積分的結(jié)束時間為卸荷支撐腿腳尖離地肌肉完全松弛的時刻，這時求解方程(4-1)的初始條件即為方程(4-2)在該時間段內(nèi)的狀態(tài)變量用于單腿支撐階段數(shù)值積分的求解。在依次反復對方程(4-1)、(4-2)進行完數(shù)值積分之后，利用達朗貝爾原理逐步計算出作用在橋上行人腳底壓力中心處的橋面的反作用力。根據(jù)作用力與反作用力之間的關系，該橋面的反作用力與行人步伐荷載之間大小相等、方向相反。參考文獻reference[1]程曉東。新型鋁合金結(jié)構(gòu)在城市人行天橋中的應用[J]。橋梁建設，2007(6):38-41。[2]張治成，王曉峰，溫敏。鋁合金桁架人行橋動力特性研究[J]。低溫建筑技術(shù)，2014(9):57-59。[3]中國工程建設協(xié)會標準。鋁合金人行天橋技術(shù)規(guī)程：T/CECS471-2017[S]。北京：中國計劃出版社，2017。[4]中國行業(yè)標準。城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范：CJJ69-95[S]。北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996。[5]PDEY，SNARASIMHANMASCE，SWALBRIDGEM。Evaluationofdesignguidelinesfortheserviceabilityassessmentofaluminumpedestrianbridges[J]。Journalofbridgeengineering，2017，22(1):04016109-1-15。[6]謝旭，鐘婧如，張鶴，等。人-橋豎向耦合振動計算方法[J]。振動與沖擊。2016，(5):108-114。[7]PDEY，ASYCHTERZ，SNARASIMHAN，etal。Performanceofpedestrian-loadmodelsthroughexperimentalstudiesonlightweightaluminumbridges[J]。Journalofbridgeengineering，2016，21(8):C4015005。[8]陳寶春，楊亞林，孫潮。鋁橋的應用與發(fā)展[J]。世界橋梁，2004(02):68-70+77。[9]ZivanovicS，PavicA，ReynoldsP。Vibrationserviceabilityoffootbridgesunderhuman-inducedexcitation:aliteraturereview[J]。JournalofSoundandVibration，2005，279(1):1-74[10]ZivanovicS，PavicA，ReynoldsP。Human–structuredynamicinteractioninfootbridges[J]。ProceedingoftheInstitutionofCivilEngineers:BridgeEngineering，2005，158(4):165-177[11]陳政清，華旭剛。人行橋的振動與動力設計[M]。北京:人民交通出版社，2009[12]HansenAH，ChildressDS。Effectsofshoeheelheightonbiologicrollovercharacteristicsduringwalking。[J]。JournalofRehabilitationResearch&Development，2004，41(4):547-554[13]HofAaL。Theequationsofmotionforastandinghumanrevealthreemechanismsforbalance[J]。JournlofBiomechanics，2007，40(2):451-457[14]李紅利，陳政清。人-橋豎向動力相互作用效應理論與試驗研究[J]。土木工程學報，2014，47(06):78-87。[15]WinterDA。Biomechanicsandmotorcontrolofhumanmovement[M]。2ndedition。NewYork:JohnWiley&Sons，1990[16]NewlandDE。Pedestrianexcitationofbridges-recentresults[C]//Proceedingsofthe10thInternationalInstituteofAcousticsandVibration，2003:1-15[17]陳政清。橋梁風工程[M]。北京:人民交通出版社，2005[18]KimS，ChoK，ChoiM，etal。Developmentofhumanbodymodelforthedynamicanalysisoffootbridgesunderpedestrianinducedexcitation[J]。SteelStructures，2008，8(4):333-345[19]法永生，李東，孫翠華。人行橋隨機人行荷載下的振動分析及其舒適度評價的新方法［J］。振動與沖擊，2008，27[20]袁旭斌。人行橋人致振動特性研究[D]。上海:同濟大學，2006．[21]李紅利，陳政清?？紤]荷載隨機性的人行橋人致振動計算方法研[J]。湖南大學學報:自然科學版，2013，40(10):22－31．[22]InternationalFederationforStructuralConcrete，TaskGroup1。2。GuidelinesfortheDesignofFootbridges:GuidetoGoodPractice［M］。Switzerland:fib，2005．30．[23]SONG