橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽設(shè)計說明書

1、勤 學(xué) 務(wù) 實 圓 融 卓 越2013湖南工學(xué)院結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽夢之橋設(shè)計說明書隊名：筑夢隊隊長：張欣宇隊員：劉慧紅、肖正威指導(dǎo)老師：陳 高隊名:筑夢隊名字由來：在我們都很小的時候，最喜歡做的事之一就是用泥巴或麻將或積木玩具等一些東西堆積出各種各樣的造型和結(jié)構(gòu)，堆好之后過會又推掉，每天還樂此不疲的堆著，我們兒時的夢想就簡單到只想堆出一個自己滿意的東西。而今天，我們參加結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽就是為了繼續(xù)兒時的夢想：筑造一座讓自己滿意的橋！夢之橋！橋名:夢之橋名字由來：夢，往往是由人們心里最好的想法組成的；夢，往往也是人們想到而又不能達(dá)到的；夢之橋，就是由我們心里最好的想法完成的實實在在的橋！指導(dǎo)老師：陳 高

2、湖南工學(xué)院建筑工程與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院設(shè)計小組名單：組長：張欣宇 2011級土木工程專業(yè)1104班組員：劉慧紅 2011級土木工程專業(yè)1104班 肖正威 2011級土木工程專業(yè)1104班聯(lián)系人：張欣宇 電話 錄一、方案的設(shè)計思路1.材料性能分析2.結(jié)構(gòu)形式的選擇3.結(jié)構(gòu)尺寸的選擇4.連接方式的選擇二、制造工藝三、其他特色方面說明四、模型構(gòu)件說明五、模擬加載試驗分析一、方案的設(shè)計思路根據(jù)競賽規(guī)則要求、支架形狀、荷載加載方式、模型制作材料的性能和制作的方便程度等方面出發(fā)，我們采用白卡紙和白乳膠精心設(shè)計制作了“夢之橋”橋梁模型。1.材料性能分析 通過對材料的反復(fù)試驗，得出以下結(jié)論

3、：白卡紙：此模型設(shè)計的重點是抵抗集中荷載和動載過程對橋梁的曲面、斷面、磨損以及彎曲等破壞。所以考慮到白卡紙具有良好的抗拉、壓性能，而且通過簡易的構(gòu)建制作，能夠大大提高白卡紙的強(qiáng)度。組合成一個具有良好結(jié)構(gòu)體系的橋梁模型。發(fā)揮紙所體現(xiàn)出的鋼的特性。乳白膠：粘結(jié)力強(qiáng)，滿足結(jié)構(gòu)受力特點，使紙間緊密結(jié)合。缺點是濕度大，不易干燥，干燥后硬度強(qiáng)，但容易產(chǎn)生脆性破壞。在連接方式上，截面粘接強(qiáng)度大概是側(cè)面粘接強(qiáng)度的30%。繩 子：繩子彈性模量太大，伸長量太大，不易拉緊。拉結(jié)時易產(chǎn)生應(yīng)力集中。2.結(jié)構(gòu)形式的選擇根據(jù)白卡紙的性能，我們擬定了以下幾個方案方案1：桁架結(jié)構(gòu)橋梁 通過對桁架結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，我們得出了桁架結(jié)構(gòu)以

4、下幾個特點。優(yōu)點：桁架結(jié)構(gòu)中各桿件受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦桿和腹桿的合理布置，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓內(nèi)力實現(xiàn)了自身平衡，整個結(jié)構(gòu)不對支座產(chǎn)生水平推力。結(jié)構(gòu)布置靈活，應(yīng)用范圍非常廣。桁架梁和實腹梁（即我們一般所見的梁）相比，在抗彎方面，由于將受拉與受壓的截面集中布置在上下兩端，增大了內(nèi)力臂，使得以同樣的材料用量，實現(xiàn)了更大的抗彎強(qiáng)度。在抗剪方面，通過合理布置腹桿，能夠?qū)⒓袅χ鸩絺鬟f給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪，桁架結(jié)構(gòu)都能夠使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。更重要的意義還在于，它將橫彎作用下的實腹梁內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為桁架桿件內(nèi)簡單的拉壓應(yīng)力狀態(tài)，使我們能夠

5、直觀地了解力的分布和傳遞，便于結(jié)構(gòu)的變化和組合。是一種非常適合制造橋梁的結(jié)構(gòu)。缺點：桁架結(jié)構(gòu)主要缺點是橫向剛度不夠，并且，在這個課題中我們是要用白卡紙制造橋梁，白卡紙本生剛度也不夠。另外，用白卡紙制造桁架時，節(jié)點處理非常復(fù)雜，很有可能出現(xiàn)荷載加上去后，因為某一節(jié)點破壞而整體失穩(wěn)，所以對其制造工藝是一大挑戰(zhàn)。所以很有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的理論可承受荷載值非常大，而實際可承受荷載值比預(yù)期小得很多的情況。所以我們不考慮桁架。方案2：斜拉橋斜拉橋又稱斜張橋優(yōu)點：是將橋面用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔，受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。其可

6、使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。缺點：在本課題中，斜拉橋的關(guān)鍵點在于橋墩和拉索，于是我們針對材料所提供的繩子做了以下試驗：開始時先將繩子拉結(jié)于紅色線圈位置固定，然后不斷的把繩子拉到附近固定點處，使繩子不斷拉緊，當(dāng)拉到已經(jīng)不能再往其他固定點發(fā)展時（圖中白線實際位置），用手指勾住最近的兩個固定點間繩子的中點位置拉、壓，均能輕松的使變形量達(dá)到15mm。通過以上試驗，我們認(rèn)為材料所提供的繩子不適合做為斜拉橋的拉索。方案3：梁板結(jié)構(gòu)梁橋是以受彎為主的主梁作為承重構(gòu)件的橋梁。主梁以孔為單元，兩端設(shè)有支座，是靜定結(jié)構(gòu)。一般適用于中、小跨度，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。而在諸多的梁橋形式中

7、，我們著重分析了箱式梁橋。箱式梁橋（或桁梁式橋）有堅固的橫梁，橫梁的每一端都有支撐。最早的橋梁就是根據(jù)這種構(gòu)想建成的。他們不過是橫跨在河流兩岸之間的樹干或石塊?，F(xiàn)代的桁梁式橋，通常是以鋼鐵或混凝土制成的長型中空桁架為橫梁。這使橋梁輕而堅固。利用這種方法建造的橋梁叫做箱式梁橋。箱形梁的受力特點 作用在箱形梁上的主要荷載是恒載與活載。恒載一般是對稱作用的，活載可以是對稱作用，但更多的情況是偏心作用的，因此，作用于箱形梁的外力可綜合表達(dá)為偏心荷載來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；在偏心荷載作用下，箱形梁將產(chǎn)生縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)、畸變及橫向撓曲四種基本變形狀態(tài)。詳見圖 2-4。 1、縱向彎曲 產(chǎn)生豎向變位w，在橫截面上起縱

8、向正應(yīng)力 M 及剪應(yīng)力 M 。 對于肋距不大的箱形梁， M 按初等梁理論計算， 當(dāng)肋距較大時， 會出現(xiàn)所謂 “剪力滯效應(yīng)” 。即翼板中的 M 分布不均勻，近肋翼板處產(chǎn)生應(yīng)力高峰，而遠(yuǎn)肋翼板處則產(chǎn)生應(yīng)力低谷，這稱為“正剪力滯” ；反之，如果近肋翼板處產(chǎn)生應(yīng)力低谷，而遠(yuǎn)肋翼板處則產(chǎn)生應(yīng)力高峰，則為“負(fù)剪力滯” 。對于肋距較大的寬箱梁，這種應(yīng)力高峰可達(dá)相當(dāng)大比例，必須引起重視。 2、剛性扭轉(zhuǎn) 剛性扭轉(zhuǎn)即受扭時箱形的周邊不變形。扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角 。分自由扭轉(zhuǎn)與約束扭轉(zhuǎn)。 （1）自由扭轉(zhuǎn)：箱形梁受扭時，截面各纖維的縱向變形是自由的，桿件端面雖出現(xiàn)凹凸，但縱向縱維無伸長縮短，能自由翹曲，因而不產(chǎn)生縱向正應(yīng)力

9、，只產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力K 。 （2）約束扭轉(zhuǎn)：受扭時縱向纖維變形不自由，受到拉伸或壓縮，截面不能自由翹曲。約束扭轉(zhuǎn)在截面上產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力 w 和約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 w 。 產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)的原因：支承條件的約束，如固端支承約束縱向纖維變形；受扭時截面形狀及其沿梁縱向的變化，使截面各點纖維變形不協(xié)調(diào)也將產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)。如等厚壁的矩形箱梁、變截面梁、設(shè)橫隔板的箱梁等，即使不受支承約束，也將產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)。 3、畸變（即受扭時截面周邊變形） 畸變的主要變形特征是畸變角 。薄壁寬箱的矩形截面受扭變形后，無法保持截面的投影仍為矩形?；儺a(chǎn)生翹曲正應(yīng)力 dw 和畸變剪應(yīng)力 dw 。 4、橫向彎曲：畸變還會引起箱形截面

10、各板的橫向彎曲，在板內(nèi)產(chǎn)生橫向彎曲應(yīng)力 dt （縱截面上） 。 5、局部荷載的影響：箱形梁承受偏心荷載作用，除了按彎扭桿件進(jìn)行整體分析外，還應(yīng)考慮局部荷載的影響。車輛荷載作用于頂板，除直接受荷載部分產(chǎn)生橫向彎曲外，由于整個截面形成超靜定結(jié)構(gòu)，因而引起其它各部分也產(chǎn)生橫向彎曲。圖 2-5表示箱形截面在頂板上作用車輛荷載，在各板中產(chǎn)生橫向彎矩圖。這些彎矩在各板的縱截面上產(chǎn)生橫向彎曲正應(yīng)力 c 及剪應(yīng)力。根據(jù)競賽規(guī)則要求、支架形狀、荷載加載方式、模型制作材料的性能和制作的方便程度等方面出發(fā)，我們最終選定箱式梁橋為我們橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。我們又根據(jù)箱式梁橋的特點，設(shè)計了如圖的兩種箱式梁截面。 方案3.

11、1 方案3.2 從受力體系分析，我們認(rèn)為方案3.2更適合作為橋梁截面，于是我們制造出了一根試驗桿進(jìn)行加載試驗，加載砝碼塊直至桿件失去其穩(wěn)定性并對試驗桿進(jìn)行分析。試驗分析：桿件失穩(wěn)的主要原因是由于受壓的上表面被砝碼塊邊緣壓出肋痕，然后肋痕迅速發(fā)展導(dǎo)致桿件失穩(wěn)。而我們發(fā)現(xiàn)肋痕最深處為截面上表面的兩個剛性角（如圖）。而方案3.1中的兩根斜桿正好能支撐截面上表面的兩個剛性角，于是我們最終選擇方案3.1作為我們的梁截面。此截面由4個獨立的直三菱柱組成，每個三菱柱單獨制作并卷兩層，將4個三菱柱拼成方案3.1形式后，再在外面包3層紙。3.結(jié)構(gòu)尺寸的選擇根據(jù)比賽組委會給出的支座圖示，我們將梁分為對稱的兩跨，每

12、跨長600mm，在中間支座處進(jìn)行搭接。支座至下壓板凈距為30mm，加上紙的厚度以及膠水縫所以三菱柱的內(nèi)凈高為25mm，寬為15mm。4.連接方式的選擇通過對紙和白乳膠的性能分析得出：截面直接粘接的強(qiáng)度大概只有側(cè)面與側(cè)面粘接強(qiáng)度的30%。所以兩跨跨中的連接方式選定為套接（如圖）。在中間用紙包兩層，每層均涂滿膠水。兩根梁的套接在梁與梁的橫向連接上增加一個橫向的連接桿件，固定梁與梁的間距。連接橫桿所有連接完成后：連接好的整體二、制造工藝根據(jù)白卡紙和白乳膠的性能以及我們的反復(fù)試驗總結(jié)出了以下一些工藝：1、 折白卡紙時首先用小刀的背面在白卡紙上輕輕劃出印痕，這樣折疊才會出現(xiàn)想要的菱角。2、 卷三菱柱時，

13、第一次只在紙上標(biāo)記出3條邊的長度，不要一次把外面幾層的尺寸全標(biāo)上，一層層來，折好第一層時根據(jù)實際長度再畫出下一條邊的尺寸，這樣可以使得卷出的三菱柱每一層都緊緊貼合成一個整體，提高結(jié)構(gòu)的整體性。3、 桿件剛做完膠水還沒干好時可用熱風(fēng)對著桿件吹，可以快速的使白乳膠發(fā)揮它的粘性，但是在干得差不多后不能在用熱空氣烘干，必須放置于自然通風(fēng)處，因為白卡紙和膠水都有熱脆性，如果一直熱烘，雖然會很輕、很干、很硬，但是在加荷載時很容易直接發(fā)生脆性破壞。三、其它特色方面說明1、預(yù)應(yīng)力微拱根據(jù)比賽的加載形式，我們特意設(shè)計了讓梁向上微拱（如圖）。在加荷載的時候首先將抵消向上的微拱然后才向下彎曲，能有利的提高梁的抗彎性

14、能。制作方法：在梁剛剛包完，還沒有完全定型前，通過在跨中及另一側(cè)兩端施加壓力，使其微拱。施加預(yù)應(yīng)力微拱3、特色橋面 如圖，橋面尺寸為200*600，滿足競賽要求的通行凈空為200*200的條件，另外在橋面上用油性筆畫出了雙向4車道的柏油路面，增加了橋梁的觀賞性。四、模型構(gòu)件說明1、截面1、2、3 主要起傳遞7的軸力與梁的整體抗彎作用。4、5 主要是支撐上表面的兩個剛性角以及傳遞軸力，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。7 單跨通長的上表面，在梁整體抗彎時提供壓力，主要起抗壓作用。6 單跨通長的下表面，在梁整體抗彎時提供拉力，主要起抗拉作用。四根主梁2、下滑塊 由于下壓板與我們的橋面存在高差，我們特意設(shè)計了如圖的

15、下滑塊，針對加動載環(huán)節(jié)的小車，減少小車對橋的沖擊荷載，使小車能比較平穩(wěn)的開上橋。3、連接橫桿連接橫桿，共3根，主要用于構(gòu)造以及控制兩根主梁的間距，使小車的輪胎正好位于梁的上方。連接橫桿四、模擬加載試驗分析由于考慮到比賽的規(guī)則，只能加載一次，所以我們必須知道我們的橋到底能承受多大的荷載，而這座橋是用紙和膠水制造的，所以實際肯定與理論存在差別，所以通過結(jié)構(gòu)計算所得出的理論值不一定是我們結(jié)構(gòu)所能承載的，而且比賽的時候什么情況都可能發(fā)生，所以，為了讓我們的橋能加載其所能承載的最大荷載且為了能在比賽時更好的發(fā)揮出我們的水平，我們特意制造了兩個試驗梁來做模擬加載試驗。試驗流程和數(shù)據(jù)的處理與分析：1、 將兩根試驗梁調(diào)好間距放在支座上；2、 在兩根梁的跨中位置加載25KG，記錄跨中撓度變化值（3mm）；3、 拿去梁上荷載，記錄跨中撓度變化（0mm，說明梁還處于彈性階段）；4、 在兩根梁的跨中位置加載50KG，記錄跨中撓度變化值（13mm）；5、 拿去梁上荷載，記錄跨中撓度變化（5mm，說明梁已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形）6、 用小車加載40KG，從平臺開往橋跨中并在跨中停留10秒（小車拖得非常慢，所以動荷載實際為移動的靜荷載，通過下滑塊時速度無明顯增加，但是在梁上行駛時，方向很難控制）；7、 在兩根梁的跨中位置加載80KG（在砝碼堆放處的梁的上表面壓出肋痕跡并迅速發(fā)展，梁面嚴(yán)重失穩(wěn)，導(dǎo)致無法再繼續(xù)試驗