緬因大學高級結構和複合材料中心、美國高級基礎設施技術公司（AIT）及其分公司美國高級基礎設施技術中心橋樑分公司（AIT bridges）近期聯合開發了一種新型複合材料——槽形鋼樑（CT），這種鋼樑通常被用於公路橋、鐵路橋和人行天橋的建造。據美國高級基礎設施技術中心橋樑分部（AIT Bridges）稱，這種複合材料鋼樑由纖維增強聚合物製成，比普通鋼樑和混凝土梁分別輕50%和75%，該公司自2010年以來一直致力於將這種材料應用在複合拱橋系統中。
新型複合槽形鋼樑提高設計可行性
目前，美國高級基礎設施技術公司共生產了五片複合材料槽形鋼樑，並已成功將這些產品應用在了第一座橋樑工程中：這座橋坐落於美國東北部的緬因州漢普頓小鎮，將替換位於索達斯庫克溪流（Souadabscook Stream）之上的格力斯特·米爾大橋（Grist Mill）。該橋的建設是緬因州交通廳正在進行的Route 1 A公路項目中的一段，整個公路項目全長2.8公里。2019年8月，緬因州交通廳總工程師喬伊斯·泰勒(Joyce Taylor)在接受當地媒體採訪時説道：“將這種鋼樑應用在實際工程中，工程師們感到非常興奮。我們正在尋找其他機會將這項技術應用在即將開工建設的項目中，我們非常樂意將這項技術與全國其他州的交通部門分享。”
擔任這座大橋主設計任務的是林同棪國際公司，他們採用了傳統的混凝土橋面和不鏽鋼加固。整個施工過程於2020年6月開始，一旦完成，緬因大學將對大橋進行測試和監測，此舉將為這種新型鋼樑的未來應用積累可靠數據。
複合材料槽形鋼樑的生產需要使用一種粘合樹脂對槽形模具進行復合纖維層加固。因其結構體大小和規模的不同，鋼樑的尺寸也不盡相同。針對格力斯特米爾橋，製造團隊定製了一條長24.4米的模具進行鋼樑生產。最終生產的鋼樑長23.2米，高1.2米，寬1.2米。
美國高級基礎設施技術公司-橋樑分公司總裁兼總工程師肯·斯維尼（Ken Sweeney）表示，相比混凝土和鋼材，使用纖維增強複合材料（FRP）加固大梁有諸多好處：“首先，經纖維增強複合材料加固的構件更具耐久性。纖維增強複合材料是一種具有耐腐蝕性和抗疲勞性的材料，這兩點也是橋樑設計過程中需要考慮的重要方面。其次，材料在很大程度上優化了設計和可行性。通過改變纖維類型和基質材料，我們可以設計出更經濟、更高效的結構。”同時，該公司還表示，相比於混凝土和鋼材，複合纖維材料對環境的影響要小得多。斯威尼表示：“生產混凝土和鋼材所需要能源至少是生產碳纖維和其他纖維增強複合材料所需能源的2～3倍。另外，相比於它們，纖維增強複合材料更輕，在運輸過程中將減少大量的碳排放，在安裝過程中碳排放量也相應會減少。”
“此外，從長遠的碳排放來看，鋼鐵和混凝土材料也飽受詬病，因為這些材料在未來服役過程中需要進行大量維護，設計使用壽命也只能達到75年。”他補充説。除此之外，為了幫助新一代橋樑業主減少現有橋樑因維修養護而造成的財政壓力，減輕橋樑設計公司的工作量，建設團隊從一開始就確信我們需要的是不同於以往的材料。
為了實現這個目標，美國高級基礎設施技術公司-橋樑分公司與緬因大學高級結構與複合材料中心進行了合作。兩個組織都有開發纖維增強複合材料的歷史，並且相互間的合作可以追溯到美國高級基礎設施技術公司的成立。美國高級基礎設施技術公司致力於將複合拱橋系統的商業化，在21世紀初，緬因大學為其提供了主構件的設計思路。
新型複合材料系統可用於美國80%的新建橋樑
自2010年投入使用以來，複合拱橋系統已在國內外中、小跨徑橋樑建設中得到了廣泛應用。這種複合拱橋系統由輕質耐腐蝕纖維增強複合材料拱管組成，其主要用途是作為現澆混凝土的模板和加固材料。
據斯維尼介紹，目前市場上還有一段空白亟待攻克。他説道：“憑藉高級基礎設施技術公司在行業內數十年的經驗，以及對基礎設施市場的瞭解，我們發現，在一些受幾何約束較大的中、小跨徑橋樑項目上，複合拱橋系統還無法提供很好的解決方案。”
“當注意到這種市場的需求以後，我們聯繫了緬因大學，希望可以和他們合作，共同開發一種梁橋結構。也希望通過向市場提供不同的解決方案，填補自身的拱橋系統空白。在這次合作中，緬因大學在研發方面，主要負責分析軟件、層壓結構研發和生產方法研究。”
該公司對複合材料槽形鋼樑的開發始於2016年夏季，主要目的是為了提供一個低維護使用壽命達到100年，跨度在9.1米-30.5米的複合橋樑結構。為了實現這個目標，該產品設計團隊首先調查了過去30年內橋樑建設過程中所使用的所有複合材料。
“通過查閲各種文獻綜述，我們從成功案例中吸取有益經驗，並將其形成概念和想法。再把這些想法和高級結構、複合材料進行專業的測試和分析，與高級基礎設施技術公司在行業發展、市場運作和設計敏感性相結合，利用新一代複合材料的優勢，從設計和安裝的角度創造一個便捷的橋樑系統。”
複合材料槽形鋼樑系統主要用於新建橋樑，高級基礎設施技術公司-橋樑分公司認為，這個系統可以用在美國80%的新建橋樑中。然而，雖然現在運用在橋樑修復中還存在許多不確定性，未來隨着該系統不斷地完善，預計還將會運用在橋樑修復項目中。
本文刊載 /《橋隧產業》雜誌 2020年 7月刊 總第41期
作者 / Khalifa Bokhammas
文章來源 / Bridge Design & Engineering雜誌