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玻璃纤维复合材料建造出未来桥梁

    美国建筑师用23条碳和玻璃纤维织物建造出一条桥梁,美国的60万条公路桥梁中大约有16万座桥梁亟待修缮或更换,如果这种混合设计法能得以流行,那么纤维增强复合材料应用于公路将取得重大突破。

  尼尔桥位于美国缅因州南部,桥梁拥有两个车道,长约34英尺(约合10.4米),横越一条小溪。

  让人新奇的是这座桥有着它独树一帜的构造。桥梁不是由钢或混凝土构成,而是由23条碳和玻璃纤维织物的拱形结构组成。这些直径12英寸(约合30厘米)的管子,通过膨胀、弯曲成适当的形状再用塑料树脂进行硬化,并排安装以后用混凝土进行填充,就像是意式通心粉一样。最后铺上桥板和压实的土壤,拱形结构就能支撑标准的砂和沥青路面了。

  这座桥是设计师的第一个作品,它位于缅因大学奥罗诺分校50英里(约合80公里)处,采用了复合材料和传统的混凝土相结合的设计。美国的60万条公路桥梁中大约有16万座桥梁亟待修缮或更换,如果这种混合设计法能得以流行,那么纤维强化塑料应用于公路将取得重大突破。

  “这本来只是我们的一个实验,但是现在是时候进行实践,看看它是否真的可行。”高级复合材料的结构中心(Advanced Structures and Composites Center)的董事哈比·达盖(Habib Dagher)说。

  尼尔桥从开始到建造成功,共花费了约60万美元,使用偏转传感器和其他仪器进行监测。目前,正承受着每日高强度的交通测试。“它工作的好极了,”达盖博士说。“并且它比预浇铸制的桥梁要便宜17万美元。”

  这引起了奥巴马政府的重视,交通部长拉胡德曾前往该实验中心,参观了这座桥梁的相关成果。

  该纤维拱桥设计是七个投标中标价最低的。在20世纪80年代,纤维强化塑料首次使用到桥梁的建设。土木工程师被它们得良好特性所吸引——强度高、重量轻,耐腐蚀。

  专家说纤维增强复合材料没有得到普遍利用的原因之一是工程师和承包商对该原材料没有太多的认知,纤维增强复合材料在公路建设中如何使用的标准体系尚未确立。美国复合材料制造商协会(American Composites Manufacturers Association)倡导使用复合材料的主任约翰·布塞尔(John Busel)说:“工程师非常注重安全问题。他们希望完全了解该原材料如何研制和如何持久使用。”

  该材料也并不总是与其他物质相融合。纤维增强复合材料桥面板其中一个问题就是——覆盖路面的沥青或混凝土——很快就压坏了。加州大学戴维斯分校工程助理郑丽娟教授说。但是,对于利用纤维增强复合材料的主要争论还是它的经济效益。“第1个是前期的成本问题,”南卡罗来纳大学的副教授保罗·齐尔(Paul Ziehl)说。

  齐尔博士帮助设计和测试了得克萨斯州一个应用了纤维增强复合材料的小桥桥梁,他说:“如果你要设计东西,那么从最优工程技术角度来说,他们最开始是独一无二的,直到取得经济效益才得以推广。”以得克萨斯州桥梁为例,是经过特别定制设计并采用劳动密集型的方法建造的。

  “建造业对于成本是斤斤计较的,”布赛尔先生说,“纤维增强复合材料更昂贵,有时比传统的材料要贵一倍。”承包商需要知道的是:使用轻便的材料可以节省运输、劳动力、设备花费和潜在的维修费用。

  这些经费的节省也是缅因大学设计的其中一个目标,达盖博士说。使用昂贵的纤维增强复合材料——主要作用是构成混凝土的框架结构。管子能保护混凝土不受除冰化学品的侵蚀,从而降低维护的成本。

  管状的桥拱不是仅有的混合设计。伊利诺伊州威尔米特的慧聪桥公司工程师兼总裁约翰·希尔曼(John Hillman),开发的直梁使用了聚合物、混凝土和钢的混合物。桥梁是由一个长方形的纤维增强复合材料管与拱形管道形成的。管道内充满了混凝土——增强了抗压强度。该桥梁已在科罗拉多州的铁路桥和伊利诺伊州和新泽西州的一些道路桥梁进行测试使用。

  “对桥梁的设计要与传统的建造方法相一致,已经从事设计工作14年之久的希尔曼先生说:“在安装成本上来看,纤维增强复合材料与混凝土和钢材的桥梁安装成本已经非常接近了。”

  希尔曼先生设计的桥梁仍然必须用卡车运送,尽管它们很轻。然而,缅因大学设计的桥拱可以在现场建造——玻璃纤维织物膨胀并弯成一个简单的结构然后用真空泵灌注树脂。它们很轻所以能够进行迅速的安装,然后注入混凝土。这样就不需要大型起重机或其他重型设备的辅助。

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