一种钛/铝/钛轻质高强度应急桥梁及架设方法与流程

本发明涉及的是一种钛/铝/钛轻质高强度应急桥梁及架设方法，属于金属复合材料制造及桥梁结构设计等综合技术领域。

背景技术：

在抢险救灾、野外作业或军事行动过程中，一些浅滩、河流、坑洼、泥泞及松软地面严重阻碍了救援车辆和机械的正常通行。应急桥梁是克服上述复杂路面障碍的重要器材工具，在民用运输交通以及战时支援保障方面具有无可替代的作用。基于此，应急桥不仅要重量轻便于架设，又要有足够的强度刚度便于机械车辆通过。

目前非金属材料或铝合金等应急桥梁普遍存在强度不够，而钢制结构应急桥梁又由于重量大不易架设，阻碍了应急桥梁的应急抢险的快速抢修保障性能。如模块化小跨径铝合金桥梁(cn201459589u)具有模块化安装、结构简单、使用方便的特点，但由于铝合金的本身强度较低，无法很好满足大型重载车辆的通过要求；钢制桥梁网格多点受力桥板(cn204266119u)利用网格多点受力利用原理，提高了钢制桥梁的使用寿命与安全性，但其便携性、可拆卸性由于其安装过程的繁琐而有所不足；移动应急轻质桥梁结构(cn204644855u)采用车辆折叠搭载，具有搭载快、负荷强度大、可扩展并调整斜度等优点，但其架设需要车辆以及平台的相对固定，便捷性有待提高；如何找到一种用于桥梁结构的新型材料，使其具有较高的强度以及较轻的重量，同时兼具较好的可安装性、可操作性，成为新型应急桥梁发展的关键。

技术实现要素：

此发明包括轻质高强度钛/铝/钛复合材料及其制造方法、6米应急桥的结构组成及架设撤收方法三部分。

1、应急桥轻质高强度钛/铝/钛复合材料及其制造方法

在爆炸焊接过程中，复板首先必须产生弯曲，其次复板不能产生破坏，即爆炸载荷必须满足以下两个条件才能实现成功焊接。爆炸载荷所产生的最大弯矩首先必须超过材料的动态屈服极限弯矩，使复板产生弯折变形，才能满足爆炸焊接复板和基板斜碰撞的条件，因而才有可能获得有效的焊接界面。

基复板碰撞速度随着装药厚度的增加而迅速上升，过高的碰撞速度将产生最小界面结合能以外多余的能量，使结合界面发生过度熔化，复合板整体塑性变形、开裂、灼伤等，严重影响界面结合质量和复合板外观。当装药厚度超过上限时，界面熔化现象极为严重，强度极大的拉伸波从地基反射回到结合界面，将处于熔融状态的金属彻底拉开，导致焊接失效。因此装药量上限的控制能够减小界面熔化的程度。另外，钛和铝在爆炸焊接过程中由于界面高温，会生成脆性的tic、tio、al2o3等金属间化合物，因此钛/铝/钛焊接参数的确定应遵循下限法则，即在焊接窗口下限附近获得最佳的参数，使得钛/铝/钛复合材料的界面结合强度最高。

装药厚度δ、基复板间距s、炸药爆速d是直接决定爆炸焊接质量的三个静态工艺参数。根据建立的钛-铝动态参数窗口的边界条件，以界面结合能最小原理、窗口法则、极限法则为理论原则，根据焊接动态参数窗口，碰撞速度下限，碰撞速度上限，结合下限质量比rmin、上限质量比rmax这两个边界条件，可构建并计算钛-铝合金爆炸焊接装药质量比与复板厚度初始参数窗口。

长期的爆炸焊接生产表明，异种金属复合板的装药厚度在装药质量比下限rmin附近取值时，结合质量最佳，符合装药厚度下限法则。爆炸焊接时，配置60^#粉状乳化炸药，即在粉状乳化炸药中添加60％石英砂，其密度控制炸药爆速d≈1200m/s，有效多方指数γ＝1.8，针对2mm厚度的钛和6mm厚度的铝，计算可得下限装药厚度δ0＝20-25mm；两板间距s＝3-4mm。为消除稀疏波边界效应，复板尺寸和装药面积在起爆端增加约30mm、在两侧和尾端均分别增加20mm；复合板钛/铝一次爆炸焊接后进行消除爆炸应力退火处理，退火温度为350℃，随炉冷却后进行校平和表面处理，再进行二次爆炸，二次爆炸焊接参数60^#粉状乳化炸药，焊接参数取上述一次爆炸参数的最下限值，消除钛/铝/钛双面复合板爆炸应力退火工艺参数参考单面复合板退火参数。经过两次爆炸焊接及退火校平处理后得到了100％厚度为2mm+6mm+2mm钛/铝/钛高强度双面复合材料。其抗拉强度大于425mpa；规定非比例延伸强度大于305mpa；断后伸长率大于20％；界面剪切强度大于108mpa。

2、6米长应急桥的结构组成

此应急桥采用上述厚度为2mm+6mm+2mm钛/铝/钛轻质高强度金属复合层板制造，为了克服浅滩、河流、坑洼、泥泞及松软地面或类似障碍，此发明设计6米长应急桥的技术方案，可保证履带式荷载40吨、轮式轴压13吨的机械装备顺利通过桥梁。

发明的6米应急桥由8块桥面板组成两个等宽车辙，两车辙之间通过横系材联接为整体；桥面板本体为工字梁结构，上、下翼板和腹板采用钛/铝/钛叠层材料，钛/铝/钛为三明治式叠层结构。应急桥其整桥(长×宽×高)尺寸为：6000mm×3400mm×240mm；桥面板(长×宽×高)尺寸为：600mm×260mm×240mm；其总重量为1600kg；桥面板单块重量约为190kg。由于桥面板单块重量低于200kg，且长度超过600mm，可由4-6人进行徒手架设，架设时间小于30分钟。

发明的6米长应急桥主要由桥面板、横系材、辅助器材组成如图1所示，整桥由8块桥面板组成两个等宽车辙，两车辙之间通过横系材联接为整体。

桥面板本体为工字梁结构，在桥面板本体上设置有单耳、双耳、外顶块、内顶块、长插销及提环。单双耳用于横向之间联结；插销用于单双耳之间及横系材与桥面板联结；提环用于人工抬运或机械吊运，如图2所示。

桥面板主体上、下翼板和腹板为钛/铝/钛复合材料，上、下翼板厚度为8mm，腹板厚度为6mm。由于钛/铝/钛复合材料两种组分物理性能相差巨大，无法焊接，因此本方案采用铆接的连接方式，上下翼板通过折边角钢铆接在一起，如图3所示。

横系材用于桥面板间横向联结固定，可根据装备的类型调整宽度。联接时，通过顺时针旋转或逆时针旋转调节手柄可以使横系材伸长或缩短如图4所示。应急桥的调整宽度为2800mm～3300mm。

辅助器材包括撬杠、锚钎、锤。撬杠主要用于拼装时桥面板挪动和锚钎撤收以及插销撤收。锚钎主要用于系留。锤用于将锚钎固定在地面和插销的撤收，如图4、图5、图6所示。

3、6米长应急桥的架设与撤收方法

发明的6米长应急桥的架设方法如下：

(1)架设第一块桥面板

6名人员同时握住桥面板的提环，将第一块桥面板抬到架设位置(靠近靠近浅滩、坑洼、弹坑等类似障碍附近，中间的两人撤出，分别抬在桥面板的两端头，只到到达指定位置，如图8所示)。

(2)架设第二块桥面板

按第一步方法将第二块桥面板抬到第一块桥面板旁边，与第一块桥面板横向联接，如图9所示。联结时，将双耳上的插销拔出，用手抬或者撬杠移动桥面板，将两桥面板上对应的单、双耳插入，同时两桥面板上的内外顶块随之对应插入。然后，将单双耳用插销固定。

(3)架设第三、四块桥面板

按以上方法架设第三、四块桥面板，组成一个车辙，如图10所示。

(4)架设第五～八块桥面板

按以上方法架设第五～八块桥面板，组成另一个车辙，如图11所示。

(5)联接横系材

将横系材分别联接在辆车辙内侧腹板两端的单、双耳上，联接时，将装有叉头一端与单耳相连，将装有环头的一端与双耳相连，如图12所示。

(6)固定桥跨

将锚钎插入桥跨辆车辙外侧桥面板两端的单双耳孔中，用大锤将锚钎固定在弹坑两边路基上，将桥跨固定，如图13所示。

6米应急桥的撤收流程与架设流程基本相反。此应急桥可通过组合架设使用，保证履带式荷载40吨、轮式轴压13吨的机械装备顺利通过，也可单独架设使用保证人员通过较深的山谷等路面障碍。

附图说明

图1为6米应急桥示意图，1-桥面板、2-横系材、3、辅助器材；图2为桥面板示意图，1-提环、2-单耳接头、3、桥面板本体、4-外顶块、5-内顶块、6-双耳接头、7-插销；图3为桥面板主体截面示意图，1-翼板(ti/al/ti复合材料)、2-腹板(ti/al/ti复合材料)、3-折边角钢、4-铆钉；图4为横系材示意图，1-叉头螺杆、2-套管、3、调节手柄、4-环头螺杆；图5为锚钎；图6为锤；图7为撬杠；图8为架设第一块桥面板示意图；图9为架设第二块桥面板示意图；图10为架设第三、四块桥面板示意图；图11为架设第五～八块桥面板示意图；图12为联接横系材示意图；图13为固定桥跨示意图。