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小竹桥何以撑得起大卡车?

发布日期:2012-03-05 10:13 作者:admin 点击:

12月12日,湖南省耒阳市导子乡上浔村,横跨浔江河的一座现代竹结构桥梁引起了土木建筑专家和媒体的广泛关注。随着一台总重8.6吨的卡车安全驶过桥面,湖南大学土木工程学院院长、长江学者特聘教授、美国南加州大学终身教授肖岩宣布,“竹结构桥梁在车辆荷载作用下,主跨变形不到4毫米,完全符合现行桥梁规范的要求”,竹桥整桥荷载试验宣告成功,可以正式通车投入使用。
 
      为什么这座竹桥能够承受8.6吨重的卡车?与钢结构桥梁和混凝土结构桥梁相比,竹结构桥有什么特点?它的应用前景如何呢?记者电话采访了这座桥梁的湖南大学现代竹结构课题组负责人肖岩教授和课题组成员单波博士。

      现代竹桥 

      中国人用竹子来制造家具、日用品的历史已经有几千年,也使用原竹建造过便桥。然而,人类依据现代结构理论和试验方法采用竹子来建造能承重8吨卡车的桥梁还是第一次。这座已建成的竹结构桥梁桥面宽3.4米,跨度达到10米,采用预制混凝土板作为桥面板,并设有栏杆。从外观上看,竹结构桥梁与普通的钢筋混凝土桥梁没有显著差别,但从桥底观察,就可发现其中奥秘,用于承重的9根大梁全部是竹材梁,竹梁之间的横隔板也是竹材,全部采用螺栓连接。 

      专家解疑:

      以竹建桥为了啥?

      肖岩教授曾经在美国做过几个比较大的现代木结构研究项目。美国木结构用量很大,占每年建筑面积的30%%,主要用于建造低层别墅和三、四层高的公寓、办公楼和大型商业中心等。

      2001年,肖岩成为湖南大学长江学者特聘教授。在中国,由于木材资源的匮乏,木结构建筑极少,我国的现代木结构研究开展很少。在我国南方,特别是湖南,竹资源很丰富,并且竹加工工业也具有一定规模,但竹产品技术含量不高,经济效益很低,没有作为主要的结构材料应用于建筑领域。竹材与木材同为有机材料,力学性能相似,经过调研和初步试验,他确立了“以竹代木”的基本设计思路。“整个中南地区的竹资源都比较丰富,如果能以竹子为材料做一些事,对地方经济、对新农村建设都有好处。”肖岩说。 

      今年年底,课题组建成了世界上第一座小型的竹结构人行天桥并投入使用。媒体报道以后,湖南省耒阳市农村综合开发办联系到他,希望用竹结构改建一个跨小河的乡村桥梁。 

      浔江河上原有的那座石头桥有50多年的历史,石头桥只有1.5米宽,桥面主要由两块大石头搭建起来,桥面较窄,桥上又没有护栏,村民特别是老人、小孩过桥时很不安,也不能通车。而现在新建的这座桥梁,可以通过拖拉机、收割机等车辆。

      细竹缘何有如此巨大的承受力? 

      细长的竹子何以拥有如此巨大的承载能力?其实这是将竹子经过一些现代技术制成胶合竹板,然后采用连接技术将短板支持长梁,再根据需要,与其他高性能材料复合等方式综合实现的。 

      肖岩说,这座现代竹桥是基于现代结构设计理论、现代加工技术、现代力学、现代实验学、现代工业化生产程序来开发出的现代竹结构,一定要强调“现代”两个字,以区别于以往的采用原竹材的其他竹结构。

      由于竹桥采用了竹胶合技术,没有用原竹,所以表面上看不到竹子。肖岩介绍说,原始的竹子状态里面是空心的圆筒状,材料性能差异大,比较难加工,要找到同样的竹子也不容易,材料利用率低。另外,原竹不容易连接,构件的尺寸受竹子长度的限制,不太可能作为主要的结构材料大规模使用。于是课题组以胶合竹为原材料发展了一种新技术,即先把竹子劈成片,再压制成型,并按设计做成所需的结构构件。这样制造的构件看起来不像竹子,更像木材构件。 

      那么这座现代竹桥大能承重多少?肖岩说,这座竹桥是根据使用方提出的跨度10米,需要通行8吨卡车的要求设计的。设计时,要根据现有桥梁规范,加上一定的安全储备,通过结构试验把不利的荷载加上去,看结构破坏时真正荷载是多少。所以,尽管通行荷载是8吨,但设计时是按照16吨荷载设计的,也就是说,即便是通行载重为16吨的卡车,竹桥的变形依然符合现行桥梁规范的要求,大变形控制在桥面跨度的六百分之一以内。 

      另外,现代竹桥由9根竹梁承重,而课题组预先做了两根相同结构的大梁,并对它们进行实验,测得每一根梁的破坏荷载是8—10吨。所以,9根梁的竹桥,理想状态下要几十吨的荷载才能压坏。 
 
      此外,为了提高承载力、减小变形,竹梁中还将竹材与碳纤维增强塑料复合。
      小竹桥寿命几何?

     “寿命是非常关键的问题,但我们没有一个准确的答复,一些报道说20年是不太准确的。我们还在做进一步的科学研究,包括对结构进行长期观测,并采用加速气候试验和桥梁的疲劳实验来研究竹桥的实际工作年限。只有在对试验提供的数据进行分析的基础上,才能给出准确的使用年限。不过,在正常使用条件下使用20年,我们还是有这个自信的。”肖岩教授课题组的单波博士说。 

      竹结构人行桥已经投入使用一年多时间了,还没有出现需要做结构维修的的迹象。由于在预先设计时就考虑了安装和拆装的便捷性问题,维修时可以单独拆卸下某个构件,再安装上新构件。即便9个大梁中有某个梁出现了问题,也可以单独更换。

      但是对于老化问题,单波认为在加速气候实验结果出来以前,没有办法准确预测。 

      竹桥的优势在哪里? 

      相比于钢结构、混凝土结构的桥,竹桥的优势在哪里? 

      肖岩说,首先从“比强度”(强度除以自重的比值)看,竹结构或木结构的比值都远高于钢和混凝土结构。虽然钢的强度比竹子高,但是承受相同荷载时,需要竹材的重量小于钢材的重量。所以,竹材的优势在于可以用较小的体积做较大承载力的东西。此外,竹结构轻便,使得施工更加便利,施工时也无需搭重型设备。这座竹桥的现场施工很快,大大快于混凝土桥的工期。8名工人使用工厂预先加工好的竹构件,在没有使用重型建筑设备的情况下,仅用了不到10天的时间就把这座桥的主体结构架设了起来。这给当地村民留下了极为深刻的印象。 

      混凝土和钢是传统的结构材料,但不是环境友好型材料。钢材和水泥的生产是高污染、高能耗的产物,混凝土中所需的砂子和石子的开采要破坏植被、破坏河床,而且混凝土再生利用也很困难。作为地方资源的竹子,属于绿色材料。它生长周期快,3—5年就可以成材使用,成材周期大大快于木材。砍伐后,再生能力强,不会破坏耕地。 

      从造价方面看,这座现代竹桥的造价控制在地方政府的预算内。在20—30米的跨度内,竹结构桥梁比钢结构造价优惠。与混凝土结构比,竹结构的综合造价(包括工期等)也很有竞争力。 

      桥建好后,需要维护。钢桥有防腐问题,混凝土桥容易开裂,需要修补裂缝。而肖岩说,建成的一座竹结构人行桥和一座现代竹桥,平时不需要维护,而且暂时也没有出现需要维修的问题,即使出现问题也可以快速解决,维护费用较低。

      竹结构的应用咋样? 

      现有的竹产品主要集中用在竹地板、竹菜板、竹帘子等产品,没有用到土木建筑的主市场。

      用于承重的竹结构技术,有望开拓竹材利用的新市场、新空间。竹结构桥梁适用于城市人行天桥、高速公路的跨线桥等20—30米跨度以内的桥梁,也适用于大跨工业厂房的屋架和四层以下的建筑。肖岩希望终能够把竹材用于建筑结构的主流市场。“它当然不会完全取代现有的钢材和混凝土,但一定领域内占到一定的市场份额还是有前景的。完全可以根据使用者需要设计成不同的结构形式。”肖岩说。

      世界首座可通行车辆的现代竹结构桥梁在湖南耒阳市导子乡正式投入使用。12日上午,一台总重超过8吨的卡车驶上桥面,完成后一次整桥荷载试验。  这座竹桥净宽3.4米、长10米,由9根竹梁组成,实际荷载能力达90吨。从外观上看,竹结构桥梁与普通的钢筋混凝土桥梁没有显著差别。只有从桥底观察,才能发现“奥秘”,不但用于承重的9根大梁全部是竹材,竹梁之间的横隔板也是竹材,全部采用螺栓连接。 

      竹桥由湖南大学土木工程学院研究建成。据学院院长、长江学者肖岩介绍,这座竹结构桥梁采用高性能的纤维增强塑料(FRP)与竹结构复合,严格按照现代力学理论建造,桥梁采用整体防水,桥梁的边梁采用了高性能的防水材料整体包裹,承重梁中都设有高性能的纤维增强塑料,安全性能已通过各方论证肯定。

      竹结构别墅 

      2007年10月,肖岩课题组开始建造一幢250平方米的两层单户别墅的样板,目前正在封顶阶段。从外面看,竹结构别墅与普通的砖石结构房屋没有什么差别,进入内部才发现完全不同,整个房的柱、梁和墙体全由竹构建或竹木组合构建,形式新颖简洁,墙体为竹木结构保温墙体,符合建筑节能的要求。课题组还开发了竹结构活动房。课题组成员介绍,房屋可快速拆除,也可转移地点重新装配,施工效率极高,适用于作为工地临时用房,适当进行放水处理也可作为较为经济的永久住宅使用。由于竹结构别墅样板房的建筑形式和使用功能与北美和欧洲的木结构别墅完全一致,该项目的终目的是希望向北美和欧洲等非竹产区成套输出竹结构别墅,实现出口创汇。
 

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