結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書2

設(shè)計(jì)資料場(chǎng)地條件橋梁結(jié)構(gòu)模型將置于總寬度為1400mm的“鴻溝”之上。在“鴻溝”之間離兩岸各50~350mm的范圍內(nèi)設(shè)有支座連接點(diǎn)。具體情況在競(jìng)賽手冊(cè)的附圖已經(jīng)詳細(xì)給出。模型加載條件1．豎向加載條件在離跨中左右各50mm處橋的兩側(cè)共設(shè)計(jì)四個(gè)加載點(diǎn)，均勻向下加載。每級(jí)荷載四個(gè)點(diǎn)共加2kg，共計(jì)加載十級(jí)。加力架重1.2kg，總共加載（包括加力架）21.2kg。2．水平加載條件在跨中通過(guò)轉(zhuǎn)向滑輪及支架沿水平方向加載，加力懸掛件重0.82kg，每級(jí)加2kg，共計(jì)五級(jí)，總計(jì)加載10.82kg。模型材料及制作工具1．主體材料鋁質(zhì)等邊角鋁：L8×1鋁板：厚0.8，0.6，0.4黃銅圓管：Φ12/0.25，Φ10/0.25，Φ8/0.25黃銅絲：Φ1.5，Φ1.8,Φ22．連接方式、材料膠接：502膠鉚接：純銅絲焊接：（僅用于銅質(zhì)構(gòu)件）用焊錫螺釘：M1，M2，M3，M43．主要制作工具萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、手動(dòng)折邊機(jī)、剪板機(jī)、手槍鉆、電烙鐵等加工試驗(yàn)工具設(shè)計(jì)要求一、模型結(jié)構(gòu)布置要求支座要求在“鴻溝”中離兩岸各50~350mm之間最多允許做8個(gè)（每端限定不多于4個(gè)）鉸接支承點(diǎn)供固定橋墩用。鉸接支承點(diǎn)離橋中軸線的最大距離為80mm。鉸支點(diǎn)只允許在沿縱橫方向以20mm為間隔的方格上布置。支座離相鄰支座之間不得小于40mm。橋面要求面標(biāo)高為±0.000，為保證其剛度，橋面板采用厚度不小于0.4mm的鋁板，橋面寬60mm。通航要求可采用任意結(jié)構(gòu)形式，但橋下跨中400mm寬度范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)底部標(biāo)高不得低于-0.080以保證“通航”凈空。橋面全寬范圍向上有60mm高度凈空，保證“通車”。二、模型加載要求豎向加載要求在十級(jí)加載中跨中撓度不得超過(guò)8mm（加力架引起變形不計(jì)）。水平加載要求在后五級(jí)加載中，跨中水平變形不得大于2mm（加力架引起變形不計(jì)）。局部措施加載受力用18號(hào)鍍鋅鐵絲，模型設(shè)計(jì)時(shí)須考慮在加載點(diǎn)范圍作適當(dāng)構(gòu)造和加固，使模型可承載此集中力。設(shè)計(jì)構(gòu)思根據(jù)此模型的橋面寬度與跨度的比例，并參照現(xiàn)在較為經(jīng)濟(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，融合空間受力概念，使集中的荷載盡量分散，從而充分利用結(jié)構(gòu)材料，以便達(dá)到結(jié)構(gòu)盡量輕的目的。本橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)水平位移的要求較高，從簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算公式可知撓度的主要影響參數(shù)為橋面的側(cè)向剛度及跨中支撐長(zhǎng)度，并且與成正比，而與橋面板成反比。從本橋梁構(gòu)思出發(fā)用增大橋面板寬度來(lái)保證側(cè)向變形需要較大的材料用量，并且在此種方法的實(shí)施過(guò)程中會(huì)有許多支撐構(gòu)件受力較小，但又不得削減，拉壓受力不一，不能充分利用金屬材料的抗拉性能。從減小跨度的角度講，利用下部結(jié)構(gòu)減小跨度必然出現(xiàn)斜桿件，長(zhǎng)度大，用料多，質(zhì)量大，穩(wěn)定不利。因此考慮利用銅絲較大的抗拉強(qiáng)度，將斜拉形式發(fā)展為適應(yīng)于此模型的設(shè)計(jì)要求的空間形式，使拉索既對(duì)豎向變形起作用又有利于側(cè)向變形。通過(guò)分析，側(cè)向變形利用拉索基本有兩種形式，即內(nèi)側(cè)斜拉與外側(cè)斜拉（見(jiàn)圖1），內(nèi)側(cè)斜拉效果較好，但由于通車要求及橋面板寬度要求，側(cè)向內(nèi)拉不易實(shí)現(xiàn)。因此采用外側(cè)斜拉形式，使橋塔上部外張，拉索向內(nèi)收攏與橋面板連接。另外，橋塔下部為適應(yīng)剛度要求兩個(gè)柱子向外張開(kāi)，整個(gè)橋塔成X形。橋兩側(cè)設(shè)置柱墩以便將拉力傳到地基，從而平衡兩側(cè)拉力，使上柱盡量受軸壓。從造型上考慮，采用細(xì)絲以便形成韻律，并且向外張緊的拉索形成張力感覺(jué)，給人以穩(wěn)定感，平衡了橋塔上部偏大的倒置感覺(jué)。(見(jiàn)圖2)(a)(b)圖1(a)內(nèi)側(cè)斜拉（b）外側(cè)斜拉圖2效果圖結(jié)構(gòu)布置整體布置圖3三維整體布置圖橋面板結(jié)構(gòu)布置兩邊長(zhǎng)桿件為∟角鋁，中間各支撐∟自制角鋁，此桁架上鋪橋面板,橋面板為槽形。橋面板剖面圖橋塔結(jié)構(gòu)布置橋塔結(jié)構(gòu)布置圖內(nèi)力及穩(wěn)定分析內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)化模型內(nèi)力計(jì)算采用美國(guó)MSC公司有限元通用計(jì)算程序Nastran，運(yùn)用Patran前后處理軟件進(jìn)行建模及輸出計(jì)算結(jié)果。模型的建立采用空間桿系計(jì)算模型，并對(duì)一些節(jié)點(diǎn)做理想簡(jiǎn)化處理，具體情況見(jiàn)下表：構(gòu)件材料連接方式簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)單元形式拉索銅絲螺栓鉸接Rod單元塔架銅管焊接剛接Beam單元橋板邊角鋁角鋁螺栓鉸接Beam單元支撐角鋁鋁螺栓鉸接Rod單元邊柱鋁螺栓鉸接Rod單元由于rod單元可承受拉力或壓力，拉索不能受壓力，因此對(duì)拉索的rod單元進(jìn)行處理設(shè)置其抗壓強(qiáng)度為0。另外，橋板與塔架的連接擬定采用焊接，因此也簡(jiǎn)化為剛接。簡(jiǎn)化模型見(jiàn)下圖：內(nèi)力計(jì)算材料參數(shù)內(nèi)力計(jì)算參數(shù)見(jiàn)下表：參數(shù)材料 () ()銅0.35200鋁0.33150內(nèi)力計(jì)算結(jié)果利用上述材料常數(shù)及簡(jiǎn)化模型，支座邊界條件簡(jiǎn)化為空間鉸，得出以下分析結(jié)果：上圖為各截面最大壓應(yīng)力圖。圖示黑色條塊為各根桿件中最大的壓應(yīng)力為，小于銅及鋁的抗壓強(qiáng)度、，各根桿件滿足強(qiáng)度要求。下圖為各截面最大拉應(yīng)力圖。圖示白色條塊為各根桿件中最大的壓應(yīng)力為，小于銅及鋁的抗拉強(qiáng)度、，各根桿件滿足強(qiáng)度要求。位移結(jié)果利用上述材料常數(shù)及簡(jiǎn)化模型，支座邊界條件簡(jiǎn)化為空間鉸，得出以下位移分析結(jié)果：上圖為模型豎向變形圖,由圖可知跨中部位為黑色,對(duì)應(yīng)黑色塊現(xiàn)示豎向位移為,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模型變位要求,因此模型豎向剛度滿足要求。但偏小，這是由于加設(shè)兩個(gè)邊柱所致，而邊柱對(duì)降低最大應(yīng)力有明顯效果，因此只能保持此剛度。上圖為模型水平變形圖，據(jù)圖跨中顯示為白色，對(duì)應(yīng)白色條塊位移數(shù)值為，模型滿足水平剛度要求。下圖為模型整體變形圖：穩(wěn)定分析由于整個(gè)模型應(yīng)力較小，因此只針對(duì)受力較大的橋塔進(jìn)行。利用材料力學(xué)歐拉公式分別對(duì)上柱、下柱及長(zhǎng)支撐進(jìn)行驗(yàn)算。具體臨界應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)下表：構(gòu)件名長(zhǎng)度（mm）截面橋塔上柱181.96Φ1052.77354.4橋塔下柱188.47Φ1053.78341.1上部橫支撐163.47Φ859.63529.5下部斜支撐118.36Φ843.17277.6根據(jù)以上表格，可知臨界應(yīng)力都大于材料的屈服強(qiáng)度，再加之模型壓應(yīng)力最大僅為，因此模型滿足穩(wěn)定要求。節(jié)點(diǎn)計(jì)算焊接節(jié)點(diǎn)計(jì)算焊接節(jié)點(diǎn)主要分布于塔架各銅管的連接點(diǎn)及橋板與塔架的連接點(diǎn)。由于焊接尺寸難于在制作時(shí)控制，因此焊接節(jié)點(diǎn)采用構(gòu)造處理，全部滿焊，典型節(jié)點(diǎn)見(jiàn)下圖：此節(jié)點(diǎn)為一個(gè)比較復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，其余焊接形式與此類同。銅絲彎頭焊接節(jié)點(diǎn)如下：焊接長(zhǎng)度不大于，銅絲為直徑1.5mm，因此焊縫長(zhǎng)度取為15mm。螺栓連接計(jì)算由于橋板為鋁制，所以采用螺栓連接，根據(jù)應(yīng)力圖得知跨中各桿件受力較大，因此計(jì)算此主要接點(diǎn)自然會(huì)得到其他滿足的節(jié)點(diǎn)。此三個(gè)螺栓都采用M1螺栓，抗剪強(qiáng)度按C級(jí)螺栓為140，根據(jù)應(yīng)力圖此處應(yīng)力為27.9，小于螺栓的抗剪強(qiáng)度，所以螺栓連接滿足要求。對(duì)于桿件截面：