未来之桥

29.09.2021 /芬恩格雷厄姆

无用的设计和使用创新材料的Futura Seavebridge有可能为英国铁路网络提供可持续的,可通道,高品质的行人桥。

Futura的起源

Futura解决方案是一个概念复合人行桥,最初是为2018年的设计理念竞赛开发的。该竞赛由英国皇家建筑师协会(RIBA)代表英国铁路运营商网络铁路公司举办,挑战参赛者重新想象英国火车站的未来。英国COWI与Marks Barfield建筑事务所合作,设计了Futura桥,展望了车站环境中人行桥的发展,并解决了英国政府提出的“全民通行”倡议提出的挑战,该倡议旨在改善全国铁路网络的可达性。竞赛结束后,铁路网公司对这次提交感到非常兴奋,并委托COWI进一步发展这个想法。国家复合材料中心已加入进来,为这种特殊材料提供专家咨询和制造能力。Futura项目诞生了。

目前的Futura解决方案是一种创新设计,由纤维聚合物复合材料制成,也称为纤维增强聚合物(FRP)。FRP具有丰富的属性,虽然目前被认为在土木工程行业中成熟度相对较低,但在未来几年,它有可能挑战混凝土和钢铁在全球的主导地位。Futura的可持续性认证旨在帮助英国在2050年实现零碳排放。

FRP -强度和灵敏度

玻璃钢对土木工程行业来说并不新鲜。在过去,它曾被用于铁路人行桥,但从未发展成一个可扩展的解决方案,一次只建一座桥。在之前的几个成功的COWI项目中,我们一直渴望使用这种材料来推进可持续的桥梁解决方案,这是一个完美的机会。

未来桥的设计寿命为120年。这是设计标准的一个关键方面,其有效性通常需要仔细审查。一种新材料的设计寿命很难保证达到120年,因为它还没有出现足够长的时间来面对时间的考验,但是如果这个想法不被挑战,我们将永远不会开发新的材料。当然,有一些测试我们可以在一个区域进行快速的循环次数,无论是温度,湿度还是疲劳,来复制很长一段时间,但复制120年仍然需要数年的时间。这种材料最古老的用途之一是在皇家海军的扫雷舰上,在船体和主体上使用玻璃钢,这些船暴露在极其恶劣的海洋环境中。这种材料非常坚固,相对来说不需要维护,这些船可以使用50年,每次出海20年,然后再回来做一些小的修补。

由于材料的微观结构,FRP比传统材料如钢和混凝土更坚固。钢是由许多粘在一起的分子组成的,制造它的过程会在微观结构中造成极其微小的缺陷。同样地,如果你给混凝土梁施加足够的荷载,裂缝就会出现。随着这些缺陷的增长,元件开始失效,材料的其余部分在抵抗进一步负载时变得不那么有效。另一方面,玻璃钢是由数以百万计的微小纤维组成的,如果其中一种纤维有缺陷,负荷将重新分配给数以百万计的其他纤维。在固有组织中,有较好的载荷分布,提高了材料的可靠性。

FRP和钢之间的关键差异是钢不被认为是一种添加剂制造过程。通常,将钢板或截面切割并焊接在一起以形成产品。使钢板或截面的过程与最终用途无关。混凝土可以说是比钢的添加剂制造过程更多,但仍然具有围绕加强放置,混凝土固化,模板等的限制的限制。另一方面FRP是真正的添加剂制造过程。要形成最终材料,可以添加一个非常薄的光纤垫,然后另一个薄垫,另一个,直到你达到所需的厚度。然后加入树脂并固化以达到最终产物。如果您需要一部分的一定厚度,但另一个厚度在另一个厚度中,您可以简单地在一个位置中添加给定数量的纸张,而不是另一个位置,少于其他物料。这与各向同性钢形成鲜明对比,其中通常为最大载荷效应指定公共厚度,即使这可能只在非常特定的位置。

玻璃钢中的纤维可以参考几种不同的材料。一种常用的玻璃钢材料是碳纤维,而其他类型的材料,如从玻璃中提取的纤维、亚麻纤维、玄武岩纤维或一系列合成纤维,都有不同的材料性能和可持续性证书。随着对可持续解决方案的关注,可持续纤维产品领域正在迅速发展,Futura项目旨在尽可能利用生物材料。

以可持续性为中心的解决方案

可持续发展可以说是我们这一代人面临的最重要和最具挑战性的问题。明年年初,我们将建造Futura桥作为一个一对一规模的原型,对材料和桥的形式进行最终测试。材料选择正在进行中,详细的制造设计正在进行中。我们正在考虑最可持续和最环保的材料,同时平衡成本、耐久性、设计寿命和结构性能的限制。Futura桥的制造方法可能会在结构内部使用永久性模板,而在其他行业中,这种模板是由对环境有害的泡沫材料制成的。我们正在寻找一种100%由回收瓶子制成的产品来替代这种泡沫,以提高解决方案的整体可持续性。

玻璃钢需要仔细考虑的一个重要方面是可回收性。人们经常声称FRP是不可回收的,它作为塑料的名声也带有负面含义。事实上,玻璃钢是可回收的,目前正在开发许多方法来改善这一点。这些包括焚烧或co-incineration回收在水泥熟料生产废料,机械回收涉及减少玻璃钢作为短切原丝在其他应用程序中,或热回收的材料加热和重用的树脂和纤维分离。不幸的事实是,FRP目前没有大规模回收,因此一些人普遍认为它是不可回收的材料。一些行业正在不知疲倦地研究这个问题——尤其是汽车、海洋和航空航天行业——主要是因为这些行业生产的产品寿命相对较短。在未来的几年里,这些材料的回收将是司空见惯的,购买再生玻璃钢材料的市场将成熟。为使玻璃钢材料繁荣发展,需要鼓励可回收性和使用更可持续的材料,如亚麻和生物材料纤维和树脂。

桥梁等结构的可持续性需要从整个寿命评估的角度来看待。初步体现的CO₂估计表明,Futura将有一个类似的摇篮到坟墓的碳足迹,作为一个等效的钢桥。但是,据估计,由于其改善了维护和耐用性,以及减少运输和基础CO₂排放的轻量化特性,其等效隐含CO₂生命周期明显较低。它也不需要轴承和惰性材料结构,不会像钢一样腐蚀。

全尺寸原型机挑战标准化模型

目前我们的重点是在Futura的设计阶段以及创建和测试优惠券和一对一的桥梁。我们正在开发“Futura零件的零件”概念,可以适应不同的桥梁方向,跨度长度,单跨度和覆盖/未覆盖的用例。这将形成Futura目录,可以用作一个简单的早期设计工具来挑选和选择最佳的Futura Bridge套件,为个人火车站环境。这是一种雄心勃勃的方法,可以在网络上标准化的标准化。

明年初,我们将把我们的努力转向建立和测试一个单一的全尺寸原型作为概念验证。国家复合材料中心将在内部制造桥梁,提供了一个独特的机会,使整个设计和施工团队从概念到完成保持在一起。在进行一套完整的测试之前,他们将把它安装在一个测试场地上。此外,一对一规模的原型将经过利益相关者的严格参与,铁路网、无障碍团体、公众和当地社区成员将提供他们对设计的想法。所有的经验教训和意见都将整合到未来的Futura桥的版本中。

光明的未来在等待着你

基于frp的技术已经在许多行业建立起来,我们可以看到飞机和船舶制造商、船用涡轮叶片制造商,甚至一级方程式汽车制造商也将在未来几年生产Futura人行桥。如果我们能把重点放在需要改进的领域,主流对这种材料的接受就有巨大的潜力。可回收性、可持续生物材料、教育和采购策略都是需要讨论和不断改进的重要话题。

教育方面是土木工程行业长期争论的问题。我们应该给我们未来的领导人什么样的教育?我们至少应该向学生介绍这些可替代的建筑材料,而不仅仅是教他们钢铁和混凝土。如果他们从未听说过FRP,怎么能挑战规范呢?我们应该开放他们的思想,考虑其他解决办法。这是我们在COWI中所做的核心工作。这是关于知识分享和不断地推动边界。

除了Futura人行桥的解决方案之外,设计和建造社区的其他部分也在选择FRP作为材料。我们手头上有一项艰巨的任务来实现我们为自己设定的可持续发展目标,而实现这些目标所需要的改变是巨大的。玻璃钢不太可能完全取代钢铁和混凝土,因为两者都是非常成熟和成熟的行业。但我们相信,在未来10年,我们将开始看到这些材料选择的巨大变化。在COWI,我们很高兴能够成为朝着更光明、更可持续的未来转变的一部分。

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COWI员工芬恩·格雷厄姆

芬恩格雷厄姆
高级工程师
COWI UK,英国