复合材料铁路桥

    近HC桥梁公司宣称,一列整装机车拉着26节沉重的载煤车横跨了上座复合材料铁路桥。
    一个实况承载实验在靠近美国科罗拉多州Pueblo市的交通技术中心(TTC)的长为2.7英里的FAST(高速耐久性测试装备)环线上进行。这个交通研究以及测试装备是由TTCI(一个美国铁路协会分会)所运营的。HC桥梁公司的创始者兼总裁,也是该项目的结构工程师John Hillman说,这座支撑着机车的桥梁跨度有30英尺,是由8根混杂复合材料梁构成的。
    “我一直很喜欢呈弓形结构的承载道路的简捷和优雅,” Hillman说,“当我知道制造复合材料的真空辅助树脂转移成型工艺(VARTM)后,我自然而然的想到,如将复合材料的多功能性与传统建筑材料的强度以及经济性结合起来,我们就可以从复合材料的轻量以及固有的耐腐蚀性中获益”。 
   
    本着这一信念,Hillman自20世纪90年代中期起,着手设计和建造一个更轻然而却更加牢固的桥梁结构。今天,名为Hillman复合材料梁(HCB)的桥梁与普遍用于承载基础设施的标准钢筋混凝土桥梁相比,要更强、更轻、也更耐腐蚀。
    “桥梁的响应完全符合按照AREMA(美国铁路工程与道路维护协会)设计规范计算得到的应变和位移限度”。Hillman说,“鉴于HCB的性能已被铁路行业证实并认可,下一步将在Pueblo市制造一个原型用于进一步的实验。我们的终目标是让HCB成为一级铁路的标准桥梁技术,用来增加的税收。
    在HCB基本的形式中,它是由3个组成部分构成的:外壳、抗压增强材料和抗拉增强材料。抗压增强材料由自强化混凝土构成,混凝土通过泵灌注进梁外壳中的管子内。而抗拉增强材料是由Hardwire?钢纤维下增强织物沿梁的底边排列而构成的。
    将此概念申请后,Hillman向特拉华州立大学的复合材料中心(UD-CCM)寻求支持,对制造工艺进行研究,并对梁结构进行测试论证。有几个工业合作伙伴也参与了该项目并做出了贡献,其中包括:欧文斯科宁公司,该公司提供了其Advantex? Flow-TexTM方形编织增强材料,用于树脂的灌注与浸渍;亚什兰特殊化学品公司提供了Derakane Momentum树脂;Elliott公司提供了ELFOAM?聚异氰脲酸酯泡沫;Hardwire公司的钢纤维增强材料也被用于该梁中。
    实质上,HCB梁的作用就像将一支上了弦的弯弓放在一个玻璃盒子中。Hillman就是利用这一原理去改进承载性能和减轻重量的。混凝土制的弯弓的两端用多层Hardwire钢纤维增强材料系牢,材料沿着底部的边缘排好。高强度的钢纤维织物是由薄的、加捻起来的、45000 psi的高抗张强度的钢纤维束构成的,比传统的钢板强度高11倍。如与常用于增强结构中的高强度碳纤维相比,其价格只是后者的几分之一。
    梁的制造是通过灌注Derakane 411-350 Momentum树脂和欧文斯科宁的Flow-Tex增强材料制得的,灌注形成的外壳内包裹着一层由Elliott公司的ELFOAM?聚异氰脲酸酯泡沫构成的泡沫芯材。拆除模具后,在外壳中再注入自强化混凝土。在这一制造方法中,所用的混凝土大大少于标准预应力梁所用的量。 
   

   
   
     一级铁路联盟――包括BNSF Railway、Canadian National、Canadian Pacific、 Norfolk Southern和Union Pacific承担该次实况承载实验的主要费用。
    Hillman说:“这证明铁路行业对该项技术能够带来的利益产生了兴趣”。
    他相信美国铁路协会分会的席工程师Duane Otter会积极推动这项工作并且监督在科罗拉多州的实验操作。这个实际列车实验是IDEA(创新项目必须经历的探索性分析)HSR(高速铁路)项目的终目标。该计划由联邦铁路局资助,由交通研究委员会(TRB)管理。
    “50年前我们就开始将预应力混凝土用于铁路和桥梁,而那时它们还被称为新技术”。Otter说:“从那时起,它们已经变成铁路桥梁建筑的主流技术。展望未来,我们认为HCB技术具备变成新的主流技术的潜力”。
    高速铁路IDEA的项目官员Chuck Taylor同时说:“HCB初的发展是高速铁路IDEA HSR项目资助的为成功的项目之一。这种桥梁制造技术的商业潜力已经为5大铁路公司的实际表现所证实。他们不仅出钱资助,而且自行在科罗拉多州Pueblo市的交通技术中心进行HCB桥的安装和测试。”
    今年,该技术在2条高速公路桥上的测试计划已经确定,一条在伊利诺斯州,跨度为58英尺;另一条在新泽西州,跨度为36英尺。桥梁的建设将利用由联邦高速公路局通过IBRD(创新桥梁研究与设计)项目提供资助。伊利诺斯州桥梁的建造已于今年3月开始。
    “我认为HCB技术将随着新桥的每一次安装而持续发展,并且随着每一次的改进而越来越具有经济竞争力。”Hillman说,“HCB的成功也许将引起桥梁工业规范的改变。在采用常规材料建造桥梁的技术与先进的复合材料之间的融合方面,HCB表现出合乎情理的进步,为解决老化的基础设施的进一步需求创造了解决方案。”