工程面臨的挑戰(zhàn)：
橋梁主要用于承載重型履帶軍用車(chē)輛。希望應(yīng)用低成本，可持續(xù)使用和低維護(hù)費(fèi)用的解決方案，取代那些傳統(tǒng)的易于腐朽的木橋。
設(shè)計(jì)方案：
大橋橫梁與縱梁的建造，與橋樁和經(jīng)特殊壓擠工藝制造的工字梁（不相溶聚合物結(jié)合高密度聚乙烯和纖維增強(qiáng)聚丙烯）連接。
一個(gè)低成本新品復(fù)合材料“超強(qiáng)基”在美軍的努力下誕生了。美軍Fort Bragg①基地是美陸軍第18空降軍，第82空降師，美國(guó)陸軍特種作戰(zhàn)司令部和美國(guó)跳傘隊(duì)的大本營(yíng)。目前基地正在使用M-1 Abrams 型坦克測(cè)試Fort Bragg基地交通基礎(chǔ)設(shè)施承載的極限，特別是位于基地附近的木結(jié)構(gòu)橋梁的承載力。該橋梁的理論承受力是6噸，但是橋體的一些橫梁已經(jīng)高度受損。因此，當(dāng)工程師研究與發(fā)展中心（ERDC），和美國(guó)陸軍建筑工程實(shí)驗(yàn)室（CERL）的相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員和美國(guó)陸軍工程兵部隊(duì)的材料工程師Richard Lampo，一同來(lái)到Fort Bragg基地。經(jīng)過(guò)研究提出的橋梁改進(jìn)方案是，應(yīng)用再生塑料重新建造一座新的橋梁，以取代原先這座木結(jié)構(gòu)橋梁。Fort Bragg基地的公共工程局（DPW）考慮后接受了這項(xiàng)建議，并且提出，新的橋梁建成后，首先要確保FortBragg基地重型坦克車(chē)輛的正常行駛。此外，國(guó)防部腐蝕預(yù)防與控制項(xiàng)目副部長(zhǎng)承諾為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、初始載荷測(cè)試等方面提供資金支持。美國(guó)國(guó)防部最近的研究報(bào)告顯示，美國(guó)國(guó)防部在對(duì)抗基地設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕的問(wèn)題上，大約每年投入的資金是225億美元。因此，國(guó)防部頒布了“綠色”采購(gòu)政策和相應(yīng)的聯(lián)邦法律法規(guī)，大力發(fā)展美軍基地設(shè)施建設(shè)質(zhì)量。
政府如此大力支持的結(jié)果，終于促成了這座史無(wú)前例的復(fù)合材料橋梁的誕生。這座大橋的工字梁，橋板，欄桿，和堅(jiān)固的原形橋樁，無(wú)一例外，全部采用復(fù)合材料制成。建造這些部件的原料共計(jì)39噸，包括：防腐原料，水，耐磨高密度聚乙烯和纖維增強(qiáng)聚丙烯。
共混聚合物
不相溶聚合物共混結(jié)合高密度聚乙烯的強(qiáng)度和玻璃纖維增強(qiáng)的硬度建造的工字梁硬度甚至高于鋼鐵材質(zhì)。
復(fù)合材料橋梁的各個(gè)零部件是在Axion國(guó)際控股公司③專(zhuān)業(yè)人員的指導(dǎo)下生產(chǎn)完成的。該公司設(shè)立在Rutgers大學(xué)④的AMIPP先進(jìn)聚合物研發(fā)中心擁有復(fù)合材料專(zhuān)利制造工藝和特許證書(shū)。首席研究員Thomas Noskers博士負(fù)責(zé)在研發(fā)過(guò)程中的監(jiān)督、指導(dǎo)工作。玻璃纖維增強(qiáng)丙烯是從廢舊的汽車(chē)保險(xiǎn)杠中回收利用的。盡管對(duì)于纖維的長(zhǎng)短沒(méi)有過(guò)于嚴(yán)格的限制，但最理想的纖維長(zhǎng)度還是在5毫米~10毫米之間。
采用Rutgers加工程序，Axion公司的壓擠機(jī)首先用不相溶聚合物共混的方式將高密度聚乙烯和纖維增強(qiáng)丙烯結(jié)合到一起，簡(jiǎn)單的說(shuō)，混合兩種或兩種以上不相溶聚合物生產(chǎn)出復(fù)合材料。由此可以將高密度聚乙烯的強(qiáng)度與玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的剛度很好的結(jié)合起來(lái)。通常，高密度聚乙烯具一定強(qiáng)度，但是，卻不具備很好剛度。Axion公司工程部經(jīng)理George Nagle說(shuō)，“在某種意義上，我們目前針對(duì)高密度聚乙烯材料應(yīng)用的技術(shù)已經(jīng)取得了一加一等于三的結(jié)果。”
Rutgers加工程序能夠大大提高擠壓零件的機(jī)械性能。在傳統(tǒng)的擠壓工藝中，纖維通常會(huì)沿著表面結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)，容易造成受力不均。Rutgers大學(xué)的研究人員已經(jīng)克服了這個(gè)缺陷。他們研發(fā)出一種方法，能夠在加工過(guò)程中，使加入的纖維方向一致，這樣不但能減少纖維使用量，而且具備更大的同軸屬性。舉例來(lái)說(shuō)，由于傳統(tǒng)產(chǎn)品由于纖維方向是隨機(jī)鋪放，因此兩種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品要達(dá)到同樣強(qiáng)度，加工傳統(tǒng)產(chǎn)品時(shí)就必須加入重量34%的纖維，而新型Rutgers加工程序只需加入重量11%的纖維。從而大大降低了生產(chǎn)成本。
Nagle 表示，“一旦完成該擠壓程序，最終制成的復(fù)合材料部件能夠比同重量的鋼材具有相同甚至更高的強(qiáng)度。”
工字梁 為美軍坦克鋪平前進(jìn)道路
在Fort Bragg基地現(xiàn)有的木質(zhì)結(jié)構(gòu)橋梁，已經(jīng)高度腐化，初始的額定載荷能力為4噸。Nagle解釋說(shuō)，“我們面對(duì)的這座大橋，比傳統(tǒng)的主要為汽車(chē)用途的大橋，要經(jīng)受更大的載荷考驗(yàn)。”“因此在評(píng)估大橋設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，大橋的負(fù)載能力，抗伸縮性，耐久性，以及抗腐蝕性這幾方面就顯得尤其重要。”
M.G. McLaren工程咨詢(xún)公司承擔(dān)了大橋的設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，材料工程師Lampo和來(lái)自工程師研究與發(fā)展中心（ERDC）、美國(guó)陸軍建筑工程實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)技術(shù)人員也對(duì)大橋的設(shè)計(jì)方案提供了幫助。新的設(shè)計(jì)理念基本與傳統(tǒng)木質(zhì)橋梁的建造方法一致：1）在橋的兩端打樁，以防止雨季來(lái)臨時(shí)，水位上漲導(dǎo)致的水土流失；2）橋板下共計(jì)四排橋樁，每根圓形橋樁都由復(fù)合材料實(shí)體澆注制成，直徑為305毫米，高度為14米~20米不等；3）每四根橋樁用一根3.7米的橫梁固定。每四根橫梁支撐一根12.2米的縱梁。當(dāng)然，縱梁安裝的方向與坦克行駛方向一致。
“大橋的每一根縱梁都相互連接并互相支撐，這樣能夠使每根梁都平均受力，” Green解釋說(shuō)。最后，再安裝上復(fù)合材料的橋板，保險(xiǎn)杠和欄桿，大功告成（大橋的所有零部件，除了橋板栓和緊固件，剩下全部通過(guò)Axion公司復(fù)合材料生產(chǎn)完成。）。
對(duì)于Fort Bragg基地的大橋來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)上的最關(guān)鍵部分莫過(guò)于這根457毫米寬的工程復(fù)合材料工字梁（包括縱梁和橫梁）。
大橋應(yīng)用的所有結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸容限都設(shè)計(jì)為600psi，壓縮和彎曲應(yīng)力都提供了很大程度的安全保障，是對(duì)應(yīng)變率不敏感的材料。該種復(fù)合材料的破壞應(yīng)變是3%，大大高于木材的0.7%。
搭建中的復(fù)材橋梁
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