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玻璃纖維復合材料建造出未來橋梁

    美國建筑師用23條碳和玻璃纖維織物建造出一條橋梁,美國的60萬條公路橋梁中大約有16萬座橋梁亟待修繕或更換,如果這種混合設計法能得以流行,那么纖維增強復合材料應用于公路將取得重大突破。

  尼爾橋位于美國緬因州南部,橋梁擁有兩個車道,長約34英尺(約合10.4米),橫越一條小溪。

  讓人新奇的是這座橋有著它獨樹一幟的構造。橋梁不是由鋼或混凝土構成,而是由23條碳和玻璃纖維織物的拱形結構組成。這些直徑12英寸(約合30厘米)的管子,通過膨脹、彎曲成適當的形狀再用塑料樹脂進行硬化,并排安裝以后用混凝土進行填充,就像是意式通心粉一樣。最后鋪上橋板和壓實的土壤,拱形結構就能支撐標準的砂和瀝青路面了。

  這座橋是設計師的第一個作品,它位于緬因大學奧羅諾分校50英里(約合80公里)處,采用了復合材料和傳統的混凝土相結合的設計。美國的60萬條公路橋梁中大約有16萬座橋梁亟待修繕或更換,如果這種混合設計法能得以流行,那么纖維強化塑料應用于公路將取得重大突破。

  “這本來只是我們的一個實驗,但是現在是時候進行實踐,看看它是否真的可行。”高級復合材料的結構中心(Advanced Structures and Composites Center)的董事哈比·達蓋(Habib Dagher)說。

  尼爾橋從開始到建造成功,共花費了約60萬美元,使用偏轉傳感器和其他儀器進行監測。目前,正承受著每日高強度的交通測試。“它工作的好極了,”達蓋博士說。“并且它比預澆鑄制的橋梁要便宜17萬美元。”

  這引起了奧巴馬政府的重視,交通部長拉胡德曾前往該實驗中心,參觀了這座橋梁的相關成果。

  該纖維拱橋設計是七個投標中標價最低的。在20世紀80年代,纖維強化塑料首次使用到橋梁的建設。土木工程師被它們得良好特性所吸引——強度高、重量輕,耐腐蝕。

  專家說纖維增強復合材料沒有得到普遍利用的原因之一是工程師和承包商對該原材料沒有太多的認知,纖維增強復合材料在公路建設中如何使用的標準體系尚未確立。美國復合材料制造商協會(American Composites Manufacturers Association)倡導使用復合材料的主任約翰·布塞爾(John Busel)說:“工程師非常注重安全問題。他們希望完全了解該原材料如何研制和如何持久使用。”

  該材料也并不總是與其他物質相融合。纖維增強復合材料橋面板其中一個問題就是——覆蓋路面的瀝青或混凝土——很快就壓壞了。加州大學戴維斯分校工程助理鄭麗娟教授說。但是,對于利用纖維增強復合材料的主要爭論還是它的經濟效益。“第1個是前期的成本問題,”南卡羅來納大學的副教授保羅·齊爾(Paul Ziehl)說。

  齊爾博士幫助設計和測試了得克薩斯州一個應用了纖維增強復合材料的小橋橋梁,他說:“如果你要設計東西,那么從最優工程技術角度來說,他們最開始是獨一無二的,直到取得經濟效益才得以推廣。”以得克薩斯州橋梁為例,是經過特別定制設計并采用勞動密集型的方法建造的。

  “建造業對于成本是斤斤計較的,”布賽爾先生說,“纖維增強復合材料更昂貴,有時比傳統的材料要貴一倍。”承包商需要知道的是:使用輕便的材料可以節省運輸、勞動力、設備花費和潛在的維修費用。

  這些經費的節省也是緬因大學設計的其中一個目標,達蓋博士說。使用昂貴的纖維增強復合材料——主要作用是構成混凝土的框架結構。管子能保護混凝土不受除冰化學品的侵蝕,從而降低維護的成本。

  管狀的橋拱不是僅有的混合設計。伊利諾伊州威爾米特的慧聰橋公司工程師兼總裁約翰·希爾曼(John Hillman),開發的直梁使用了聚合物、混凝土和鋼的混合物。橋梁是由一個長方形的纖維增強復合材料管與拱形管道形成的。管道內充滿了混凝土——增強了抗壓強度。該橋梁已在科羅拉多州的鐵路橋和伊利諾伊州和新澤西州的一些道路橋梁進行測試使用。

  “對橋梁的設計要與傳統的建造方法相一致,已經從事設計工作14年之久的希爾曼先生說:“在安裝成本上來看,纖維增強復合材料與混凝土和鋼材的橋梁安裝成本已經非常接近了。”

  希爾曼先生設計的橋梁仍然必須用卡車運送,盡管它們很輕。然而,緬因大學設計的橋拱可以在現場建造——玻璃纖維織物膨脹并彎成一個簡單的結構然后用真空泵灌注樹脂。它們很輕所以能夠進行迅速的安裝,然后注入混凝土。這樣就不需要大型起重機或其他重型設備的輔助。

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