结构设计大赛理论设计方案.docx
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结构设计大赛理论设计方案
桥梁结构设计理论方案
作品名称途锐
参赛学校大连交通大学
参赛队员周权峰、袁彬、魏剑锋、
赵桐玉、杨馨胜
专业名称土木工程
指导教师 张涛
大连交通大学结构设计竞赛组委会
二○一一年
作
品
简
介
考虑到本次竞赛题目要求为两跨双车道桥梁,在移动荷载以及均布静荷载作用下的加载,根据所学专业理论知识,认识到主要应该解决的是桥梁跨中的抗弯问题以及细节的抗扭问题、主梁的局部稳定性和支座处的抗剪能力。
从全国各高校的比赛情况来看,大多数模型均采用空腹式梁—桁架组合结构。
这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好,而且可以通过变桁高来实现竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化,从而最大程度减轻结构自重。
在主梁类型的选择上我们曾考虑两种截面形式——单箱双室截面和空心圆形截面。
在截面面积及杆件厚度相等的情况下(即控制“自重影响”这一变量),容易验证单箱双室截面比空心圆截面惯性矩大40%以上。
此外,前者节点处理较圆形截面简单,故最终可选用单箱双室截面。
注:
作品简介应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明(可加页)。
结
构
承
重
验
算
1.材料的强度特性
我们查阅了浙江大学土木系对结构设计大赛材料的性能试验数据,如下:
2.结构整体受力分析
我们对支座实际的约束情况加以分析,得到进行结构力学理论计算的杆件约束体系如下:
考虑到此次大赛规则有变,加载了均布的静荷载。
联系所学桥梁知识对主梁的连续及非连续不同情况做了对比,(单位力)
a.中间为简支非连续梁在均布荷载下的弯矩图:
M图
b.中间为简支连续梁在均布荷载作用下的弯矩图:
M图
由上述受力分析可知在单位均布荷载作用下,连续梁的跨中最大弯矩较小,仅有1.04NM,但是支座处弯矩交大,为2.08NM;而非连续梁的跨中最大弯矩为较大的3.12NM,但是支座处弯矩为0。
综合考虑不同情况下弯矩的影响,我们选择了中间连续梁的形式,因为这样整个梁的弯矩承受较小,只需在支座处稍加强即可,达到节约材料、减轻自重的目的。
C.移动单位荷载作用下距左端1/8处截面弯矩影响线:
(左右对称)
D.移动单位荷载作用下中间支座处截面弯矩影响线:
3.荷载简化
由于计算机模拟分析纸质桥梁模型的局限性,我们对计算模型进行了下列简化和假定:
1.采用空间梁单元模拟桁架结构;
2.车轮荷载按横向线集度荷载在两片主桁间进行分配,等效为作用在纵梁上的集中荷载;
3.不考虑桥面板参与受力;
4.忽略桥面及桥面系局部加劲构造的作用;
5.两跨受力模式一样,仅取一跨进行计算分析。
应该承认,上述简化和假定会带来一定的计算误差。
考虑到理论分析用于纸质模型的指导性作用,这样的简化和假定是可以接受的。
采用简化计算模型,考虑将小车荷载转化为加载在左右两根纵梁上的移动点荷载来计算,将总重为100N的小车荷载简化为加载在两根纵梁上的竖向点荷载,即左右两个纵梁分别加载40N和10N的力,简化后的等价小车荷载模式如图3所示。
图1简化后的小车荷载(单位:
mm)
4.模型单元编号
桁梁模型单元的编号见图2、图3。
鉴于纵梁的重要性,每节间的纵梁划分为3~5个单元;为使计算便捷,将其余杆件均视作一个单元。
图2纵梁单元编号
图3腹杆单元编号
5.纵梁受力情况及挠度
腹杆单元可近似按轴心受压构件计算,根据Midas软件的桁架单元内力分析结果可知53号腹杆单元为控制单元;纵梁单元同时受轴向应力、弯曲应力和剪应力的作用,根据软件的应力分析结果可知68号梁单元为控制截面;跨中挠度的大小也为本次模型设计成功与否的关键因素。
模型的53号、68号单元内力和跨中挠度计算结果如表4所示:
表4:
单元内力和跨中挠度计算结果
中心距
53号腹杆
轴力(N)
68号纵梁轴向应力(MPa)
68号纵梁弯曲应力(MPa)
68号纵梁剪应力(MPa)
跨中挠度(mm)
150mm
61.6291
3.6
16.7
2.6
11.03
腹杆轴力
采用第四强度理论计算模型68号纵梁单元的相当应力:
6.47号纸带单元截面尺寸的选取
基于浙江大学结构设计大赛的材料试验结果和补充试验数据,并参考有关资料,拟定8mm宽的纸带的性能参数如表5所示。
表5材料性能参数
名称
层数
面积
弹性模量
极限拉压应力(N/mm2)
白卡纸1
1
0.3×8=2.4mm2
1130
22.2/7.0
白卡纸2
2
0.6×8=4.8mm2
1145
44.0/14.0
白卡纸3
3
0.9×8=7.2mm2
1600
66.0/21.0
白卡纸4
4
1.2×8=9.6mm2
1960
88.0/28.0
桥梁模型结构的各杆件单元采用不同层数的白卡纸制成,软件分析计算中采用表6中所列参数。
表6单元几何参数表(单位:
mm)
项目
材料
截面形状
宽
高
厚
纵梁
白卡纸3
矩形
9
10
0.9
横梁
白卡纸2
矩形
9
10
0.6
腹杆
白卡纸1
矩形
10
6
0.3
下弦横联
白卡纸1
三角形
边长为8
0.3
纸带
四层纸带
白卡纸4
矩形
8
1.2
1.2
三层纸带
白卡纸4
矩形
8
0.9
0.9
47号纸带单元为桁架单元,主要承受拉力,由Midas分析结果得其轴力为126.87N。
1)选取一层白卡纸:
,不满足要求;
2)选取二层白卡纸:
,满足要求;
综上可知,两层8mm的白卡纸可以满足要求,但处于结构的构造要求和47号纸带单元对结构的重要性,最终我们选定47号纸带单元采用三层8mm的纸带。
注:
结构承重验算应包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算等(可加页)。
作品简图
我们最终采用的方案结构体系为两跨简支鱼腹式桁梁桥,为无竖杆的三角形桁架,模型按1015mm+1015mm等跨布置,全长2030mm,宽200mm。
两纵梁中心距为130mm,桥面板自纵梁外缘向外各悬挑30mm,实际通车桥面宽200mm。
纵梁采用单箱截面,梁高10mm,箱宽9mm;横梁也采用单箱截面,不等间距布置,梁高10mm,宽9mm;腹杆为不等节间布置,截面采用6mm×10mm矩形空心管;下弦杆采用纸带,尺寸高1.2mm,宽8mm;下弦跨中横联采用正三角形截面,边长为8mm;桥面采用经厚薄处理的整块纸张连续铺设。
图1~2分别为最终设计的立面、平面及各杆件截面示意图。
图1立面布置示意(不包括桥面和局部加劲构造单位:
mm)
图2平面布置示意(不包括桥面和局部加劲构造单位:
mm)
注:
作品简图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图(可加页)。
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- 结构设计 大赛 理论 设计方案