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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
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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
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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XX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;
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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)22木杆:去除第三组偏差较大的数据
×
E1=F×L/(△L×A)=×70/(2×2×)=
E2=F×L/(△L×A)=×70/(2×2×)=
E=(E1+E2)/2=
(2)2×5木杆:
E1=F×L/(△L×A)=×70/(2×5×)=
E2=F×L/(△L×A)=×70/(2×5×)=
E=(E1+E2)/2=
(3)2×10木杆:
E1=F×L/(△L×A)=×110/(2×10×)=
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E2=F×L/(△L×A)=×110/(2×10×)=
E3=F×L/(△L×A)=×110/(×)=
E=(E1+E2+E3)/3=
(4)3×3木杆:
E1=F×L/(△L×A)=281,436×70/(,)=
E2=F×L/(△L×A)=×70/(3×3×)=
E3=F×L/(△L×A)=×70/(3×3×)=
E=(E1+E2+E3)/3=
(5)3×5木杆:去除第三组偏差较大的数据
E1=F×L/(△L×A)=×70/(3×5×)=
E2=F×L(△L×A)=×70/(3×5×)=
E=(E1+E2)/2=
(6)4×6木杆:去除第三组偏差较大的数据
E1=F×L/(△L×A)=×70/(4×6×)=
E2=F×L/(△L×A)=×70/(4×6×)=
E=(E1+E2)/2=
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
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的利用材料。
②4×,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X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)=×200/(××
4
)=
·图表资料
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.-
(2)双股腊线
计算双股腊线的弹性模量:
E=F×L/(△L×A)=×200/(××)
4
=
·图表资料
(3)三股腊线
计算三股腊线的弹性模量:
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E=F×L/(△L×A)=×200/(··》=
4
·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)=×200/(××
4
)=
·图表资料
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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
。
因此,腊线的弹性模量:E=
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
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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。
,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=,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=
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
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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)
.-可修编.