自然灾害的数量和严重程度正在增加，现有的桥梁经常遭到破坏，此时往往急需建造一座新的桥梁，以便将急需的物资运到受灾地区，或将人们从危险区运送到附近的医院。为了满足这一日益增长的需求，一种新的铝制桥梁被开发制造出来，它可以很容易地装入标准集装箱中，这种集装箱可以通过卡车或火车（联运）运输，甚至可以通过直升机运输，以获得最快的响应。这种铝制大桥，在设计应用方面，无需任何重型机械即可在现场快速组装。这种桥梁名为轻型车辆战术桥（LVTB），也被昵称为“箱子里的桥”，由MAADI集团开发（图1）。它主要由铝型材制成，由铸件和机加工部件混合连接。
图1 轻型战术桥梁（LVTB），一座可以装在集装箱里的桥梁，可以在紧急情况下快速运输和部署
铝的价值
与钢相比，铝的弹性模量较低，而在一般情况下，挠度和振动控制着桥梁等项目的结构设计。铝具有弹性，凭借其强度和灵活性，铝可以在荷载下弯曲，并很容易在受到冲击后回弹，这对于经常移动、架设和后来再次拆卸的桥梁来说，是一个很大的优势。铝的另一个优点是，与其它材料相比，铝在低温下不会失去延展性（变得易碎），这对桥梁来说特别重要。在全球最恶劣的气候条件下（从北极到沙漠），轻型战术大桥（LVTB）的预期使用，只有铝才能提供用户预期的弹性和安全性。
对于许多户外建筑来说，铝的最大价值往往是它的耐用性，因为它能在表面迅速形成一层薄薄的（看不见的）保护性氧化层，使其具有出色的耐大气腐蚀性。因此，与钢相比，铝不需要任何保护涂层，不需要诸如油漆（除非纯粹出于美观原因）之类的防护，这意味着在其使用寿命内不需要任何的喷刷油漆（MAADI结构估计可使用100年）。然而，如果需要的话，铝表面可以很容易地通过几种常见的技术进行表面喷涂，如油漆，粉末涂层，阳极氧化，或电镀，从而赋予铝结构更高的美学价值。
在LVTB这类大桥而言，根据客户的要求（譬如桥梁外观伪装），可以给桥梁涂上军绿色。但是，与钢制大桥不同，如果铝制桥梁的涂层损坏，仍然不会有腐蚀的风险，也不会影响大桥的寿命。此外，固有的耐腐蚀性使桥梁能够长期存放在户外的集装箱中，即使在恶劣的环境中，如海岸线，铝制桥梁也不会慢慢生锈，并给业主带来麻烦。
最后但并非最不重要的一点是，对于一个结构（就像其他任何东西一样），铝的可回收性及其极高的废品价值，是在做出初始投资决策时经常被忽视的重要因素。就这座桥而言，所有材料都可以很容易地拆卸，材料（甚至合金）也可以分离，以便在其使用寿命结束时，可以实现最佳和最高价值的回收利用，而这类大桥的寿命长，回收利用很可能只在100多年后才会发生。
TheLVTB Bridge轻型战术大桥（LVTB）
铝具有许多重要的特性和优点，使其在各种应用中具有吸引力，包括道路和人行天桥或立交桥。铝的最重要的特性之一，是其高强度重量比。这种组合使其成为建造紧急桥梁结构的理想选择，因为它提供了所需的高强度和轻重量。这一优点对桥梁结构的运输、操纵和安装极为有利。它还减少了桥面的自重，允许较重的移动型荷载通过桥面。由于这座桥需要用联运集装箱在全球范围内运输，因此必须限制在20000kg以内，包括所有安装工具和装载硬件。为了使其能够通过直升机运输，LVTB的最大重量实际上被限制在12700kg，这是波音H-47 Chinook（美国双引擎双旋翼重型直升机）的最大吊挂有效载荷。每多节省1kg，就可以提高它的可运输性，便于搬运和安装。
一座这样的铝桥的自身重量只有4800kg，当与所有配套硬件一起包装在集装箱中时，总重量为9090kg，其中几乎1/3是集装箱本身的重量。一个可比的钢结构会更重，再加上工具和安装运行工具设备的综合重量，肯定会超过Chinook直升机的运载能力。
除了运输重量之外，一个基本的设计标准，是一个小的团队就能够在没有任何机械的情况下组装桥梁。大多数移动式军用桥梁都使用大型车辆来安装，因为它们实在太重了，无法由其工作人员合理处理。通过最小化重量，LVTB实际上可以完全由10名安装人员从障碍物的一侧进行安装（图2）。
图2 只需要一小部分人员就能从障碍物一侧安装LVTB
同时，这座桥需要足够坚固，既能支撑轻型车辆（1500kg）的重量，也能支撑在桥上行走的人员（约21000kg或230人）。这是通过使用空心定制铝挤压件设计和优化主要构件来实现的，这些铝挤压件既可以最小化重量，又可以最大限度地提高结构的强度和刚度（图3）。考虑到桥梁在紧急情况下的预期用途，放宽了适用性标准，从而允许进一步减轻重量。
图3 驶过LVTB的轻型车辆
利用铝挤压材设计
LVTB几乎完全由定制的铝型材制成，这对桥梁的发展至关重要。通过使用尖端的软件分析，铝挤压型材的设计满足了桥梁的确切需求。铝型材由6005A-T61和6061-T6合金制成，选择这些合金是因为它们具有优越的强度和必要的可挤压性，屈服强度为240 MPa，极限抗拉强度为260 MPa。型材由A357-T61铝铸件连接。
其中一个主要结构件是支撑桥梁的主桁架，也称为弦杆。从外观上看，主桁架可能看起来像一个简单的正方形型材，但它内部揭示了铝挤压型材神奇的一面（图4）。桁染在承受后会显著压缩，并可能发生屈曲。因此，对桁染进行了优化，以满足环境要求，同时使重量最小化。为了消除局部屈曲，在最有利的位置添加纵向加劲肋，并且壁厚随其长度的变化而变化。总的来说，通过调整横截面的宽度来防止和控制桁染的屈曲。
图4 在桁染的设计中使用了复杂的铝挤压件，使其无需焊接即可连接，同时确保结构完好
桥梁设计的挑战之一是，整个23.4米的桥梁需要安装在一个标准的多式联运集装箱内，该集装箱一般为20英尺（6米）长。这意味着桥梁的组件必须限制在集装箱的20英尺长度内，从而在装配过程中产生更多的接头。这可能是一个令人担忧的原因，因为在结构设计中，接头通常被认为是薄弱环节。因此，为了在桥的整个长度上达到所需的强度，采用了复杂的连接，这只能使用铝挤压件。这可以在桁染中看到，在桁染中，无焊接接头能够提供连续性而不存在屈曲风险。
另一个联锁接头的例子，是在桥面的桥梁，这也大大受益于铝挤压的应用。由于这座桥在建成后可能将被空运，所以每一个构件都需要牢固地固定到位。几乎有80块甲板，将每一块固定到主桁架上可能相当耗时，除非利用铝型材。为此，设计了一个系统，使桥面和支撑轨能够快速、安全地联锁（图5）。在轨道内部，设计了一块带有空心销钉的板，用于移动和连接板上的凹槽。有了这个集成系统，所有80块板可以在不到一分钟内“锁定”。
图5 铺板设计为与支撑轨联锁，以确保桥梁在空中提升或移动到位时结构安全
值得注意的是，桥梁的任何主要构件上都没有焊缝，这样可以在不使用复杂设备的情况下进行快速、灵活的连接。此外，这也支持了桥梁的结构完整性。由于铝的机械性能在焊缝附近的热影响区显著降低，无焊桥可实现更高的强度重量比。焊缝可产生较高的残余应力，并经常产生切口效应，使其成为裂纹扩展的常见位置，从而降低大桥的寿命。
通过将轻质铝结构与双相2205不锈钢紧固件相结合，实现了高强度和易装配性。铝挤压件提供的联锁机构，也减少了安全组装桥所需的零件数量。为了在23.4米的跨度上完全组装LVTB，总共只需要28个螺栓（图6）。这意味着丢失或损坏的组件更少。最重要的是，这提供了更快的组装时间，这在危及生命的情况下可能是至关重要的。
图6 组装LVTB只需要28个螺栓
在建造桥梁时，所有部件通过设计而连接在一起，并且所有的构件都经过了优化，以最有效的方式紧密地与集装箱尺寸匹配。在许多情况下，部件之间的间隙小于1 mm。
结论
借助箱式桥梁的新概念，MAADI集团已经能够开发出一种灵活、轻便的桥梁设计，这种桥梁可以方便、快速地在集装箱中运输（和储存），并且只需要少数人就可以现场组装，而无需任何重型机械。这是一个完美的解决方案，在自然灾害或任何迫切需要安装桥梁的情况下，可以在最短的时间内完成桥梁的安装。MAADI开发的铝制桥梁，充分利用了所有的优势，特别是铝型材的优势。
来源：Light Metal Age
作者：Alexandre de laChevrotière and Laurent Gérin（MAADI集团）,
Martin Hartlieb（Viami 国际公司）
(尚轻时代董春明编译）
推荐阅读：
本篇文章来源于微信公众号: 尚轻时代