橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方案

1、1橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方案橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)訃?yán)碚摲桨缸髌访Q方舟橋參賽學(xué)校黑龍江八一農(nóng)星大學(xué)參賽 隊(duì)員專業(yè)名稱土木工程、土木工程、土木工程土木工程、指導(dǎo)教師黑龍江省大學(xué) 生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽組委會二O一年LI錄模型方案說明11、 材料12、 設(shè)計思路13、外形選擇24、比賽設(shè)計要求2結(jié)構(gòu)設(shè)汁說明21、 參考資料22、 材料力學(xué)性能估 計33、 結(jié)構(gòu)選型34、截面選用45、 荷載分析56、 內(nèi)力分析及計算簡圖67、 試驗(yàn) 研究98、 承載能力估算99、破壞分析10模型方案說明1、材料桐木、502膠水， 實(shí)際制作過程中常需在木材上涂膠，所用材料實(shí)際是木膠復(fù)合材料，其受拉時呈 現(xiàn)線彈性和脆性，木材順紋受拉彈性模量為

2、，木材順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為；2、 設(shè)計思路眾所周知，材料在受拉力的情況下能夠最充分的發(fā)揮強(qiáng)度，因 此在結(jié)構(gòu)的設(shè)計中盡可能多的利用木材的抗拉性能，充分發(fā)揮502膠水較強(qiáng)的抗 剪能力，以及截面較為開展的木材較好的抗壓能力，應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計一座質(zhì)量 盡可能小但承載能力盡可能大的木橋。因此，采用曲規(guī)則矩形拼成的工字型木桿 作為支撐橋面板的主梁，利用4*6的矩形木桿作為腹桿，其中豎桿主要受壓；應(yīng)用粘合后的薄木片作為魚腹式下弦的受拉構(gòu)件。上下橋面采用梯形連接, 減少材料用量。3、 外形選擇模型跨度：1200mm模型長度：1300mm模型寬度：180mm模型高度：180mm結(jié)構(gòu)形式：梁一桁架組合結(jié)構(gòu)模型重量

3、：130. 77g4、比賽設(shè)計要求兒 何尺寸要求（1）模型長度：模型有效長度（即懸空部分，也就是兩側(cè)可升降平臺 端部距離）為1200mm,兩端提供豎向和側(cè)向支撐。對于豎向支撐，每邊支撐長度 為0-70mm（起側(cè)向支撐作用的側(cè)向支撐擋板可左右活動，距離升降平臺邊緣距 離范圍為50-70mm,即距離升降平臺邊緣最遠(yuǎn)為70mm,最近為50mm,當(dāng)模型端 部支撐長度不足50mm時，則不能提供側(cè)向支撐，僅能提供豎向支撐），如下圖2所示。（2）模型寬度：在模型有效長度范圍內(nèi)（中央懸空部分），模型寬度應(yīng)不小于180mm,最寬不應(yīng)超過300mm；在支座范圍內(nèi)，寬度不限，但不應(yīng)超過320mm。（3）模型高度：模

4、型上下表面距離最大位置的高度不應(yīng)超過400mm；2為方便小車行駛，中央起拱高度不應(yīng)超過40mm（中央起拱高度指未加載時， 對于放置好的模型，端部構(gòu)件上表面與模型中央起拱最高處構(gòu)件上表面的距離）;端部支座位置處的高度不應(yīng)超過150mm。2.2結(jié)構(gòu)形式要求對于結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有特定要求，橋面設(shè)置兩個車道， 每個車 道寬不得小于90mm,因兩車道之間設(shè)有行車導(dǎo)索，所以車道之間不能有立柱、拉 索一類的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)可以僅采用豎向支撐的方式，也可以采用豎向和側(cè)向同時支撐的方式來 實(shí)現(xiàn)約束，如果模型制作失誤，不能夠完成約束和加載，后果111參賽隊(duì)伍自行承 擔(dān)。結(jié)構(gòu)設(shè)訃說明1、參考資料結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽細(xì)則木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范橋

5、梁 工程2、材料力學(xué)性能佔(zhàn)汁桐木作為模型材料，其力學(xué)性能特點(diǎn)是受拉性能良 好，抗撕裂能力差，抗彎壓能力較弱，將木材粘合成橫截面較大的材料后，可承 受一定的彎矩，但受長細(xì)比的限制，多為壓桿失穩(wěn)狀態(tài)的受力破壞。502膠的粘接性能：木材粘接時原來的性質(zhì)會發(fā)主改變，木材變得脆而且易 斷，容易發(fā)生脆性破壞。3、 結(jié)構(gòu)選型根據(jù)常見結(jié)構(gòu)的受力變形特點(diǎn)、材料特性及實(shí)驗(yàn)制作，通過比 較分析，確定了本次比賽的模型。1）簡支結(jié)構(gòu)簡支結(jié)構(gòu)主要承受的內(nèi)力為彎矩和剪力，若選用僅有兩根實(shí)腹 簡支梁的形式，由于材料的抗彎抗剪能力很差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不高。2）拱結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)受力較為合理，特別是釆用合理拱軸線形式后，拱構(gòu)件可 成為

6、軸心受壓構(gòu)件，易充分發(fā)揮紙的受力特性。但比賽要求不能利用支座提供水 平推力，該力須山結(jié)構(gòu)本身設(shè)置的受拉構(gòu)件承擔(dān)， 模型制作難度大， 表現(xiàn)為弧形 主拱的制作上，易造成構(gòu)件產(chǎn)生初始缺陷，致使存在產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的隱患。3）桁架結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是受力均為軸向拉壓，能充分發(fā)揮材料性能， 但選用復(fù)雜桁架時會出現(xiàn)結(jié)點(diǎn)桿件增多，加大制作難度及降低結(jié)構(gòu)可靠性。綜上分析，我們選擇較能充分發(fā)揮材料性能的結(jié)構(gòu)形式，利用桁架結(jié)構(gòu)單元 作為基本結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)訃，充分發(fā)揮紙帶抗拉好，紙管抗壓好 的特點(diǎn)，最終形成了符合設(shè)計要求的組合結(jié)構(gòu)。為了減小結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及減輕模型的重量，選擇了下列兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較:3該

7、方案桿件較多，結(jié)點(diǎn)數(shù)I也較多，但桿件長度有所減小，立桿截面形式采 用4*6的桿，可節(jié)省一定的材料，同時，桿間主梁的間距有所減小。通過計算和試驗(yàn)比較，驗(yàn)證笫二種方案在節(jié)省材料的同時，可減輕模型重量, 也能滿足主梁的承重要求，最終選定笫二種方案作為參賽方案。4、 截面選用（1）對比兩種支桿截面形式考慮制作難度、結(jié)構(gòu)合理利用及貼 近實(shí)際，選用以下兩種截面形式進(jìn)行試驗(yàn)對比。其中圖G）為紙制方管，圖（b）為紙制圓管。我們?nèi)∮孟嗤埩恐瞥傻膬煞N不同截面形式進(jìn)行加載試驗(yàn)。（a ）（ b ）方管的兒何尺寸及截面性質(zhì)：截面內(nèi)側(cè)1. IminX 1. 4mm,外側(cè)l.ommX1.5mm,壁厚lmm,內(nèi)部十字支撐由

8、9cm紙帶折成，實(shí)際截面面積A二34。圓管的兒何尺寸及截面性質(zhì)：內(nèi)徑10mm,外徑12mm,壁序1mm,實(shí)際截面面 積A二34. 54,截面對形心主軸的慣性矩I二526. 74,截面對形心主軸的抵抗矩 肛33. 72通過加載實(shí)驗(yàn)比較分析，在15血的軸向壓力作用下，方管較早出現(xiàn)局 部失穩(wěn)，而圓管沒有岀現(xiàn)明顯的破壞特征，所以本模型釆用圓管作為腹桿。（2）主梁截面形式主梁采用山六個三角形組合粘貼而成，其中四個小三角 形為邊長為7. 5mm的等腰直角三角形，兩個大三角形為邊長為lcm的等腰直角三 角形，用乳白膠將每個接觸面粘牢，粘接穩(wěn)定之后再用7cm寬、100cm長的紙帶 將整個主梁包裹粘結(jié)，以防止加

9、載過程中組合三角形開裂失穩(wěn)。5、 荷載分析1.結(jié)構(gòu)自重：本結(jié)構(gòu)的自重不超過250g,相對于外載20kg, 0. 25/20=1. 25%,自重產(chǎn)生的 效應(yīng)可以忽略不計。2.小車和重物的靜載：小車和重物的荷載可以看作有四個車輪平均傳遞到橋面板， 再山橋面板傳給 受力結(jié)構(gòu)。因此，此荷載在空間上是四個大小相同，有固定間距的移動荷載，且 大小為F二G/4。3.由于小車在攜帶舷碼行進(jìn)過程中，速度很慢，可以近似看作是靜止的荷載, 不會產(chǎn)生水平加速度，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向與水平的附加荷載可以近似忽略。6、 內(nèi)力分析及計算簡圖1.當(dāng)在跨中施加集中荷載200N時，受力分析如下 圖所示:圖1計算簡圖單元(1)(1

10、0)是一個整體，結(jié)點(diǎn)3-11均為剛接，結(jié)點(diǎn)12-17均為較4接，單元(23) - (29)為紙帶，只能受拉，不能受壓或受彎。單元編碼桿端1桿端2軸力0. 1N剪力0. 1N彎矩N. m軸力0. 1N剪力0. 1N彎 矩N. mlO. 00010. 0000. 0000. 00010. 00036. 0002-38. 128-3. 53036. 000-38. 128-3. 530-4. 9543-38. 1280. 658-4. 954-38. 1280. 6582. 6784-35. 390-0. 2692. 678- 35. 390-0.269-0. 4445-38. 3480. 256-

11、0. 444-38. 3480. 2562. 5236-38. 348-0. 2562. 523-38. 348-0. 256-0. 4447-35. 3900. 269-0. 44435. 3900. 2692. 6788-38. 128-0. 6582. 678-38. 128-0. 658-4. 9549-38. 1283. 530-4. 954-38. 1283. 53036. 000100. 000-10. 00036. 0000. 000-10. 0000. 00011-4. 1880. 0000. 000-4. 1880. 0000. 00012-0. 0170. 0000. 0

12、00-0. 0170. 0000. 000131. 3870. 0000. 0001. 3870. 0000. 000141. 3870. 0000. 0001. 3870. 0000. 00015-0. 0170. 0000. 000-0. 0170. 0000. 00016-4. 1880. 0000. 000-4. 1880. 0000. 00017-14. 9240. 0000. 000-14. 9240. 0000. 00018-14. 9240. 0000. 000-14. 9240. 0000. 000192. 8960. 0000. 0002. 8960. 0000. 0002

13、0- 3. 5220.0000. 000-3. 5220. 0000. 00021-3. 5220. 0000. 000-3. 5220. 0000. 000222. 8960. 0000. 0002. 8960. 0000. 0002340. 4560. 3620. 00040. 4 560.3624. 4422436. 853-0. 3754. 44236. 853-0. 375-0. 1062539. 2480. 090-0. 10639. 2480. 0900. 9652649. 6510. 0000. 96549. 6510. 0000. 9652739. 248-0. 0900.

14、96539. 248-0. 090-0. 1062836. 8530. 375-0. 10636. 8530. 3754. 4422940. 456-0. 3624. 44240. 456-0. 3620. 000圖2彎矩圖3剪力圖4軸力圖5位移由計算可知，極限荷載20.8kg。左剪力100N,右剪力100N,左彎矩18X. m,右彎矩18N. m,最大撓度1. 7676cm。2.當(dāng)在端部施加集中荷載時，受力分析如下圖所示：圖6計算簡圖圖7彎矩圖8剪力圖9軸力圖10位移由計算可知， 極限荷載20. 8kgo左剪力169. 6N,右剪力169. 6N,左彎矩30. 528N. m,右彎矩30.

15、528N. m,最大撓度1.7676cm。7、 試驗(yàn)研究在對桿件試件進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)時，45mm寬，1000mm長的紙帶至少 可承受20kg集中荷載；由10cm的正方形圖紙卷成的直徑為lcm的圓管至少可承受15kg的軸向壓力。58、 承載能力估算根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式對集中力作用下的危險位置進(jìn)行了估訃，并根據(jù)各桿件的內(nèi)力圖，經(jīng)過綜合比較：當(dāng)加載小車重量為20公斤時：對于橫梁(1)-(10),當(dāng)集中力作用在各跨跨中時所受彎矩最大，可達(dá)3.6。對于(11) (18) 8個壓桿，一直受到壓力作用，桿件最大壓力可達(dá)150N以上。對于(19) (22)四個斜桿，主要受到拉力作用，最大拉力可達(dá)200N,當(dāng) 小車到中間位置時斜桿受到輕微的壓力作用，壓力為40No對于下弦的紙帶(19) (25),直受到很大的拉力作用，當(dāng)集中力作用 在7結(jié)點(diǎn)時，最大拉力可達(dá)500No經(jīng)過校核，在20血的移動荷載作用下，理論上各個桿件均能滿足要求，而 且壓桿(14) (15)的臨界力為500N以上，在這種加載悄況下不會發(fā)生破壞，而 且具有一定的安全系數(shù)。前面的訃算雖然說明加載到20kg時仍能滿足設(shè)計要求，但是考慮到模型制 作的工藝問題，對于結(jié)點(diǎn)的制作情況佔(zhàn)計得比較樂觀