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美國(guó)建筑師用23條碳和玻璃纖維織物建造出一條橋梁，美國(guó)的60萬(wàn)條公路橋梁中大約有16萬(wàn)座橋梁亟待修繕或更換，如果這種混合設(shè)計(jì)法能得以流行，那么纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于公路將取得重大突破。
尼爾橋位于美國(guó)緬因州南部，橋梁擁有兩個(gè)車道，長(zhǎng)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(dú)樹(shù)一幟的構(gòu)造。橋梁不是由鋼或混凝土構(gòu)成，而是由23條碳和玻璃纖維織物的拱形結(jié)構(gòu)組成。這些直徑12英寸(約合30厘米)的管子，通過(guò)膨脹、彎曲成適當(dāng)?shù)男螤钤儆盟芰蠘?shù)脂進(jìn)行硬化，并排安裝以后用混凝土進(jìn)行填充，就像是意式通心粉一樣。最后鋪上橋板和壓實(shí)的土壤，拱形結(jié)構(gòu)就能支撐標(biāo)準(zhǔn)的砂和瀝青路面了。
這座橋是設(shè)計(jì)師的第一個(gè)作品，它位于緬因大學(xué)奧羅諾分校50英里(約合80公里)處，采用了復(fù)合材料和傳統(tǒng)的混凝土相結(jié)合的設(shè)計(jì)。美國(guó)的60萬(wàn)條公路橋梁中大約有16萬(wàn)座橋梁亟待修繕或更換，如果這種混合設(shè)計(jì)法能得以流行，那么纖維強(qiáng)化塑料應(yīng)用于公路將取得重大突破。
“這本來(lái)只是我們的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是現(xiàn)在是時(shí)候進(jìn)行實(shí)踐，看看它是否真的可行。”高級(jí)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)中心(Advanced Structures and Composites Center)的董事哈比·達(dá)蓋(Habib Dagher)說(shuō)。
尼爾橋從開(kāi)始到建造成功，共花費(fèi)了約60萬(wàn)美元，使用偏轉(zhuǎn)傳感器和其他儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，正承受著每日高強(qiáng)度的交通測(cè)試?！八ぷ鞯暮脴O了，”達(dá)蓋博士說(shuō)?！安⑶宜阮A(yù)澆鑄制的橋梁要便宜17萬(wàn)美元?！?/span>
這引起了奧巴馬政府的重視，交通部長(zhǎng)拉胡德曾前往該實(shí)驗(yàn)中心，參觀了這座橋梁的相關(guān)成果。
該纖維拱橋設(shè)計(jì)是七個(gè)投標(biāo)中標(biāo)價(jià)最低的。在20世紀(jì)80年代，纖維強(qiáng)化塑料首次使用到橋梁的建設(shè)。土木工程師被它們得良好特性所吸引——強(qiáng)度高、重量輕，耐腐蝕。
專家說(shuō)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沒(méi)有得到普遍利用的原因之一是工程師和承包商對(duì)該原材料沒(méi)有太多的認(rèn)知，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在公路建設(shè)中如何使用的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未確立。美國(guó)復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì)(American Composites Manufacturers Association)倡導(dǎo)使用復(fù)合材料的主任約翰·布塞爾(John Busel)說(shuō)：“工程師非常注重安全問(wèn)題。他們希望完全了解該原材料如何研制和如何持久使用?！?/span>
該材料也并不總是與其他物質(zhì)相融合。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橋面板其中一個(gè)問(wèn)題就是——覆蓋路面的瀝青或混凝土——很快就壓壞了。加州大學(xué)戴維斯分校工程助理鄭麗娟教授說(shuō)。但是，對(duì)于利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要爭(zhēng)論還是它的經(jīng)濟(jì)效益。“第1個(gè)是前期的成本問(wèn)題，”南卡羅來(lái)納大學(xué)的副教授保羅·齊爾(Paul Ziehl)說(shuō)。
齊爾博士幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試了得克薩斯州一個(gè)應(yīng)用了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的小橋橋梁，他說(shuō)：“如果你要設(shè)計(jì)東西，那么從最優(yōu)工程技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，他們最開(kāi)始是獨(dú)一無(wú)二的，直到取得經(jīng)濟(jì)效益才得以推廣?！币缘每怂_斯州橋梁為例，是經(jīng)過(guò)特別定制設(shè)計(jì)并采用勞動(dòng)密集型的方法建造的。
“建造業(yè)對(duì)于成本是斤斤計(jì)較的，”布賽爾先生說(shuō)，“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更昂貴，有時(shí)比傳統(tǒng)的材料要貴一倍?！背邪绦枰赖氖牵菏褂幂p便的材料可以節(jié)省運(yùn)輸、勞動(dòng)力、設(shè)備花費(fèi)和潛在的維修費(fèi)用。
這些經(jīng)費(fèi)的節(jié)省也是緬因大學(xué)設(shè)計(jì)的其中一個(gè)目標(biāo)，達(dá)蓋博士說(shuō)。使用昂貴的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料——主要作用是構(gòu)成混凝土的框架結(jié)構(gòu)。管子能保護(hù)混凝土不受除冰化學(xué)品的侵蝕，從而降低維護(hù)的成本。
管狀的橋拱不是僅有的混合設(shè)計(jì)。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(kāi)發(fā)的直梁使用了聚合物、混凝土和鋼的混合物。橋梁是由一個(gè)長(zhǎng)方形的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管與拱形管道形成的。管道內(nèi)充滿了混凝土——增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)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(jìn)行測(cè)試使用。
“對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)要與傳統(tǒng)的建造方法相一致，已經(jīng)從事設(shè)計(jì)工作14年之久的希爾曼先生說(shuō)：“在安裝成本上來(lái)看，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土和鋼材的橋梁安裝成本已經(jīng)非常接近了?！?/span>
希爾曼先生設(shè)計(jì)的橋梁仍然必須用卡車運(yùn)送，盡管它們很輕。然而，緬因大學(xué)設(shè)計(jì)的橋拱可以在現(xiàn)場(chǎng)建造——玻璃纖維織物膨脹并彎成一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)然后用真空泵灌注樹(shù)脂。它們很輕所以能夠進(jìn)行迅速的安裝，然后注入混凝土。這樣就不需要大型起重機(jī)或其他重型設(shè)備的輔助。
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