高强复合材料被广泛用于航空领域,主要原因在于重量轻并抗腐蚀。上世纪八十年代后期至九十年代初期,加州交通局逐渐开始借鉴航空领域的成功经验,应用高强复合材料于桥梁结构工程中,特别是桥梁抗震加固中。
典型的例子就是用高强复合材料的“布”,让我们用通俗的称呼:特殊的“尼龙布”,把桥梁的混泥土柱子一圈一圈的包起来,包的过程中采用类似环氧树脂之类的粘合剂把各层的尼龙布紧密的粘在一起,这样加固的柱子抗震性能就比原来的柱子提高很多。同样的方法也被应用于混泥土梁的加固。这在我过去参于的桥梁工程项目中,上述两种方法都被多次应用。
在加州交通局,我们的桥大多数是钢筋混凝土桥,然后才是钢/铁桥。既然高强复合材料已被应用于单独的桥梁结构构件中,那我们有没有可能利用高强复合材料来建一座完整的桥,接通俗的说法,一座特殊的“塑料”桥。
为此,交通局委托UC San Diego 开展了一系列复合材料性能试验,桥梁结构构件性能试验,构件连接性能试验,以及桥梁整体结构性能试验等,最终,UCSD主持研究的著名教授提出了一套全新的“塑料”桥的设计及施工方案。
正好2000年初,交通局在南加州棕榈泉附近要建两座平行的桥,叫做Kings Stormwater Channel Bridge (L/R),让我们简称为左右国王桥。作为实体试验,交通局决定左国王桥按UCSD 的方案建一座所谓的“塑料”桥,右国王桥按与左国王桥相同的尺寸建一座传统的实心钢筋混凝土板桥,通过相比较两桥运行以后的表现,来验证塑料桥的可行性,为以后进一步的推进打下基础。
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图一是塑料桥的立面图和截面图,可以看出这是一座两跨桥,每跨33 呎长,总长66呎,总宽42.5呎。有6根圆形的梁支撑着桥面板,特点就在于桥面板和圆形的梁。图二是已完成准备运到工地去的桥面板,它是内空(网格状)的 “塑料” 桥面板。同样,圆形的梁也是由筒状的塑料管填充有轻质混凝土而成。图一还有UCSD 推荐的面板与梁的连接细节和面板与护栏的连接细节。应该说如果按照今天的设计标准,面板与护栏的连接估计不能通过全尺寸的卡车冲撞试验(Crash Test)。
塑料桥的优点在于施工方便快捷。首先各种构件可以在工厂预制,然后由于重量轻可以容易地运到桥梁工地,最后也是由于重量轻可以方便的吊装并组合成桥。同时别忘了,塑料桥拒腐蚀永不锈!
正是由于上述优点,左国王桥的施工比右国王桥的施工快多了。右国王桥是现浇混凝土桥,混凝土的浇筑与养护既费工又费时,这是众所周知的。
2000年年底,两桥顺利完成施工并投入运行。刚开始几年,运行基本正常。但大约五年后,发现塑料桥桥面半吋厚的特殊涂层出现裂缝,甚至一块块脱落。由于车轮与桥面接触必须要有足够的摩擦力,而纯塑料面板不能提供这样的摩擦力,因此在塑料桥面板表面加了半吋厚的特殊涂层,以增加与车轮的摩擦力。
涂层与塑料面板之间的粘合性是在实验室通过实验验证过的,那为什么在真实的桥梁运行中这一涂层会开裂并脱落呢?进一步监测桥面的竖向变形,发现小车通过时,桥面向下变形小于允许的0.5吋,而每当重型卡车通过时,变形超过1吋,甚至监测到有的大卡车引起2 吋竖向变形。初步原因分析,大概是桥面板变形过大,加之重型卡车引起的剧烈振动(面板太轻),使涂层与塑料面板之间的粘合性减弱甚至完全丧失,然后形成裂缝并脱落。
为了维持桥梁的正常运行,交通局桥梁维修部门不断地在桥面上东补一块,西补一块,像图三所示,但这毕竟不是长久之计。继续补了几年,进一步发现空心网格状的桥面板表层塑料板断裂并形成空腔,如图四所示。如果多处表层塑料板本身发生断裂,整个桥面板将失去要求的刚度,桥面竖向变形将进一步加剧,而更大的竖向变成意味着更多的表层塑料板断裂,这样更大-更多,更大-更多……,然后就没有然后了。
时间来到2014年初,交通局有关专家聚到桥梁现场,根据实地的桥面情况和桥竖向变形情况,最终建议把过桥的两车道立即减少到一车道,然后尽快替换这座塑料桥。
根据专家建议,大领导马上发出紧急换桥通知,我的小领导指示我这救火小队长:立即停下手中其它工作,迅速给出一个换桥方案。
交通局的紧急桥梁工程项目,一般都是由局里桥梁施工部门牵头组织,施工部门直接寻找合适的私人施工单位,并直接指挥我们设计部门提出方案和施工图纸,这样快速对接少了许多中间环节,特别适合于“紧急”情况。
在同局里的施工部门和私人施工单位反复沟通之后,我们提出改两跨桥为一跨桥,直接用 66 呎长的预制空心混泥土桥面板来替换原来的塑料面板和塑料梁。考虑到在施工时还必须保证有一车道可以通车,我们釆用了两阶段的换桥方案。
图五是我们新的桥面板的截面图,共有14 块3 呎宽 66 呎长的面板,通过横向后张拉将14 块板连成整体。
图六显示了拆除老桥的塑料面板和塑料梁,这种桥组装起来容易,拆起来也不费劲,施工单位很喜欢。
图七显示了吊装新的混泥土预制板,显然新桥板的重量比老桥板重多了,但相比较大型桥梁的预制混泥土梁而言,这种吊装仅是小菜一碟。
从图八中可以看出,一期施工已完成,卡车正通过已替换的一半桥,第二期对另一半桥的施工正在进行中。
图九是工人们正在对新桥面板进行最后的横向张拉,以保证14 块面板能形成一个整体。
总之,整个换桥工程仅历时四周,一切按计划安全,顺利完成。在此为换桥施工单位点个赞!
回头再来比较左右两桥。右桥按传统方式建造,根据交通局以往的记录,这桥至少能正常运行70 年。原期望由新材料建造的“塑料”左桥也能正常运行70年,结果不到7年就开始带病运行,不到15年就已经病得不行了,只好拆除重建,很是遗憾。
在最后我想再说几句关于这座“塑料”桥,或许这些话我不应当说:当初建桥时作为新事物有相当广泛的研究和不少报道,遗憾的是我至今没有找到关于这座塑料桥运行中出现的各种问题及其相关原因的总结报告。是的,老桥已经从大地上抹去了,但并不能抹去人们记忆中对有点弱不禁风的老桥的记忆。失败是成功的妈妈,我们找到这座桥的妈妈了吗?由于其独特的优势,先进的复合材料必将会越来越多地应用到交通工程中。为今后继续找“塑料”桥的第二个,第三个,第N个妈妈,我们是不是应该弄清楚这第一个妈妈到底长得怎么样?或许有关部门已经找到了这第一个妈妈,仅是我没有搜寻到而已。希望如此。也希望加州交通局不要因这第一座有问题的老桥而停止为“塑料”桥继续找妈妈。