结构设计大赛桥梁计算书.docx

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结构设计大赛桥梁计算书

桥梁结构设计理论方案

作品名称蔚然水岸　

参赛学院建筑工程学院　

参赛队员吕远、李丽平、李怡潇、赵培龙

专业名称土木工程　

一、方案构思

1、设计思路

对于这次的设计，我们分别考虑了斜拉桥、拱桥、梁式桥和桁架桥的设计方案。

斜拉桥可以看作是小跨径的公路桥，且对刚度有较高的要求，所以斜拉桥对材料的要求比较高，对于用桐木强度比不上其他样式的桥来得结实；拱桥最大主应力沿拱桥曲面而作用，而沿拱桥垂直方向最小主应力为零，可以很好的控制桥梁竖直方向的位移，但锁提供的支座条件较弱，且不提供水平力，显然也不是一个好的选择；梁式桥有较好的承载弯矩的能力，也可以较好的控制使用中的变形，但桥梁的稳定性是个很大的问题，控制不了桥梁的扭转变形，因此，我们也放弃了制作梁式桥的想法；而桁架桥具有比较好的刚度，腹杆即可承拉亦可承压，同时也可以较好的控制位移用料较省，所以，相比之下我们最后选择了桁架桥。

2、制作处理

（1）、截杆

裁杆是模型制作的第一步。

经过试验我们发现，截杆时应该根据不同的杆件，采用不同的截断方法。

对于质地较硬的杆应该用工具刀不断切磋，如同锯开；而对于较软的杆应该直接用刀刃用力按下，不宜用刀口前后切磋，易造成截面破损。

（2）、端部加工

端部加工是连接的是关键所在。

为了能很好地使杆件彼此连接，我们根据不同的连接形式，对连接处进行处理，例如，切出一个斜口，增大连接的接触面积；刻出一个小槽，类似榫卯连接等。

（3）拼接

拼接是本模型制作的最大难点。

由于是杆件截面较小，接触面积不够，乳胶干燥较慢等原因，连接是较为困难的。

我们采取了很多措施加以控制，如用铁夹子对连接处加强压、用蜡线进行绑扎固定等。

对于拱圈的制作，则预先将杆件置于水中浸泡并加上预应力使其不断弯曲，并按照先前划定的拱形不断调整，直至达到理想形状。

在拱脚处处理时，先粘结一个小的木块，让后用铁夹子施加很大的压力，保证连接能足够牢固。

乳胶粘接时要不断用电吹风间断性地吹风，使其尽快形成粘接力，达到强度的70%（基本固定）后即可让其自行风干。

（4）风干

模型制作完成后，再次用吹风机间断性地吹粘接处，基本稳定后，让其自然风干。

（5）修饰

在模型完成之后，为了增强其美观性，用砂纸小心翼翼的将杆件表明的毛刺打磨光滑，注意不要破坏结构，以免影响其稳定。

3、设计假定

（1）、材质连续，均匀；

（2）、梁与索之间结点为铰结；梁与塔柱（撑杆）之间的连接为刚结；撑杆与下部拉条之间为铰结；桥梁支座为连续弹性支座；

（3）、桥面和桥梁本身质量以均布荷载作用在整个梁上；加载时，车辆移动荷载以集中力的形式作用在指定的梁上。

（4）、杆件计算时采用结构的计算模式；

根据以上假定，通过结构力学求解器建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。

二、材料的力学性能

1、桐木

根据试验分析数据,每次试验有三到四组试验数据，剔除无效的数据，采用有效数据的平均值，根据弹性理论计算桐木的弹性模量E。

拉伸试验：

（1）2×2木杆：

去除第三组偏差较大的数据

E1=F×L/（△L×A）=168.714×70/（2×2×2.5307）=1166.67MPa

E2=F×L/（△L×A）=178.0272×70/（2×2×2.2598）=1378.65MPa

E=（E1+E2）/2=1272.66MPa

（2）2×5木杆：

E1=F×L/（△L×A）=471.1845×70/（2×5×3.8002）=867.93MPa

E2=F×L/（△L×A）=462.1775×70/（2×5×3.8319）=844.29MPa

E=（E1+E2）/2=856.11MPa

（3）2×10木杆：

E1=F×L/（△L×A）=404.9354×110/（2×10×2.713）=820.83MPa

E2=F×L/（△L×A）=694.5129×110/（2×10×2.985）=1279.33MPa

E3=F×L/（△L×A）=203.97×110/（2.10×1.738）=645.47MPa

E=（E1+E2+E3）/3=915.21MPa

（4）3×3木杆：

E1=F×L/（△L×A）=281,436×70/（3.3,3.581）=611.27MPa

E2=F×L/（△L×A）=314.277×70/（3×3×6.4352）=379.84MPa

E3=F×L/（△L×A）=299.169×70/（3×3×7.2362）=321.56MPa

E=（E1+E2+E3）/3=437.56MPa

（5）3×5木杆：

去除第三组偏差较大的数据

E1=F×L/（△L×A）=515.566×70/（3×5×3.6519）=658.83MPa

E2=F×L（△L×A）=1085.104×70/（3×5×7.4596）=676.11MPa

E=（E1+E2）/2=667.47MPa

（6）4×6木杆：

去除第三组偏差较大的数据

E1=F×L/（△L×A）=976.335×70/（4×6×4.6522）=608.18MPa

E2=F×L/（△L×A）=798.416×70/（4×6×4.7955）=485.60MPa

E=（E1+E2）/2=546.89MPa

由以上计算数据可以得出，截面越大，计算得到的弹性越小。

这是由

于木材内部的缺陷导致的，桐木截面面积越大，截面越对称，所含的缺陷对弹性模量E的影响越小。

因此，我们取弹性模量E=60OMPa。

此外，根据木材的拉伸、压缩试验，压杆试验及弯曲试验的试验结果，我们还可以得出以下结论：

1桐木的顺纹抗压强度比抗拉强度低，因此用桐木做拉杆能够更好的利用材料。

24×6木杆的抗弯强度比抗压强度降低很多．要充分利用材料，使之受拉较好．

3桐木强度指标的离散性大,变异性强。

由一于内部结构不均匀份致的应力集中所致。

尤其是抗拉强度，因此受拉杆件宜采用较大的安全系数。

在计算桐木的弹性模量时，要充分考虑这个影响因素，选用有效的实验数据。

4木在受压时，在某个较小力值范围内会产生很大的变形；当变形到达一定数值时，桐木所能承受的压力急剧增大，但此时变形却很小。

⑤桐木为各向异性材料，顺纹方向与横纹方向受力性能差异较大。

制作中要避免横纹受力。

2、腊线

根据试验数据，由公式E=F×L/（△L×A）计算出腊线的弹性模量，在试验数据的取值方面，由于多股腊线由单股腊线人工搓捻而成，因此多股腊线的受拉承载力受人为因素的影响，故在数据的选取中我们取保守值。

计算单股腊线的弹性模量：

E=F×L/（△L×A）=37.2539×200/（

×

×14.6275）=1323.566MPa

·图表资料

（2）双股腊线

计算双股腊线的弹性模量：

E=F×L/（△L×A）=90.905×200/（

×

×21.5295）=2194.309

·图表资料

（3）三股腊线

计算三股腊线的弹性模量：

E=F×L/（△L×A）=114.6968×200/（

·

·18.7512》＝3178.822MPa

·图表资料

（4）四股腊线

计算四股腊线的弹性模量：

E=F×L/（△L×A）=153.4951×200/（

×

×23.6309）=3375.657MPa

·图表资料

由于以上的计算结果及图表资料得知,由于人工搓绳的不确定性较大．不能保证多股腊线与单股腊线的弹性模量的倍数关系。

因此,腊线的弹性模量:

E=1323.566MPa

三、方案立体图

四、计算书

1、结构选型：

我们所设计的桥采用的是空间组合形式，结构以梁承受抗弯，以腹杆承受抗压抗拉。

桁架桥结构应用桐木材料和线索柔性构件抗拉强度高的腊线，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。

同时四棱锥式的设计有避免了结构受侧向力和扭转的影响,并可以使满载时的小车可以顺利通过。

2、荷载分析

桥的主要承重为：

桥面板和梁本身的重量和车辆移动荷载。

（1）桥面板和梁本身的重量。

桐木材料的平均重量为0.5g/cm平方，考虑乳胶及其他因素，将其扩大至N/M。

桥梁长1660mm，经计算，桥梁自重约为g。

将其设置为均匀荷载，经计算得q=1.3N/m，考虑乳胶及其他因素，将q扩大至q=2N/m

（2）车辆移动荷载。

通过做影响线确定梁、腹杆和腊线的最不利荷载位置，进而求出桥面梁和拉索的极限力和弯距。

将小车在车轮与桥面接触点简化成2个集中荷载，同时车辆通过速度可控制，所以在任意时刻可以按静载处理。

这样每条主梁同时受均布力及两个集中荷载。

小车质量=15kg。

经过计算，每个集中荷载为N=73.5N

另外在加载时会存在一定的动力效应，及加载时的不均匀性等不利因素的影响，采取在制做时适当加强构件的措施，计算时不予考虑。

3、简化模型

4、计算简图

由于集中荷载为可动荷载，分四种最不利情况考虑，如图所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

5、荷载分析

轴力（N）

剪力（N）

弯矩（N*m）

不利位置1

0.039

36.82

20.92

不利位置2

0.038

29.43

15.39

不利位置3

0.033

22.05

10.56

不利位置4

0.015

7.36

3.02