搜索
1桥梁结构设计理论方案作品名称参赛学校参赛队员、专业名称指导教师大庆市大学生结构创新设计竞赛组委会二○一一年2目录11设计说明根据本次大赛要求及所提供材料，本组成员秉承“安全、节省、承载力高、美观”原则，设计此桥梁“步步精心”结构模型。桥梁以桁架结构为主体，尽量做到受力均匀，拉杆和压杆合理分布。其中“杆件承载力充分利用和桥身自重轻”为此设计最大亮点。1.1设计构思在接到比赛要求最初，本组成员经过分析得出“材料本身承载力强、材质轻、只适合粘结”的结论，初步确定以“平面结构，主梁主要承力，桁架结构”为大体思路。为减轻桥梁自重，我们决定尽量多用拉杆，但在模拟加载过程中，发现此想法难以实现。遂改用另一种减重方式，即尽量使每根杆都受力均匀，所受最大拉（压）力和最小拉（压）力差值最小。1.2结构选型在确定“平面结构、主梁主要承力、桁架结构”为大体思路后，设计步骤如下：①根据大赛尺寸要求，初步确定桥梁的跨度、高度和宽度；②根据以往经验和资料分析，设计出桥梁大体模型；③以实际情况为准，提取计算简图；④利用结构力学求解器软件对结构进行模拟加载，计算出各杆所承受轴力及弯矩，以确定桥梁各单元杆件截面尺寸；⑤结合杆件密度，取最优荷重比。1.3详细计算1.3.1设计资料根据大赛要求，可以确定桥梁跨度L=1300mm，净跨L0=1200mm，桥宽B=185mm，由经验和资料初步确定桥高H=150mm，竖向腹杆间距由比赛小车车轮中心轴距离确定，选为120mm。21.3.2桥梁形式、尺寸及支撑布置根据上述原则，最终确定桥梁如图1-1,1-2图1-1正视图图1-2俯视图1.3.3基本假定①节点粘结处按照铰接计算；②支座简支；③荷载取为竖直集中静荷载，分别作用在结点和单元上④考虑动荷载影响，计算荷载取为实际荷载1.2倍；⑤忽略桥本身自重，⑥材料材质均匀。⑦定义杆件单元和结点码，下文提到单元和结点码皆基于此定义图1-431.3.4荷载模拟①桥面板近似为均布荷载q=mg/l0=3×10/1300=0.0125N/mm②一辆小车加砝码P’=120N，考虑动荷载影响P=1.2P’=144N③一辆小车在两榀桁架上荷载分配的原则如图1-5图1-5P1=0.25P=36NP2=0.75P=108N考虑每辆小车轮距，将一辆小车及砝码的荷载简化为两集中力Q1和Q2Q1=0.5P2=18NQ2=0.5P1=54N则桥梁计算简图如图1-6图1-6按照图1-6将计算简图输入结构力学求解器，将集中荷载依次作用在各单元中间位置，得出各杆件所受最大轴力和弯矩值，依次列在附表1-5，再将集中荷载依次作用在各结点位置，同样得出各杆件所受最大轴力和弯矩值，依次列在附表6-9，此数据作为设计最终依据。41.3.5计算示例材料性质：木材E=410Mpa，抗拉强度ft=30MPa查阅有关资料可知：木材抗压强度fc=30MPa，抗弯强度fm=20MPa，抗剪强度fv=2Mpa从表1-9可知，杆件单元共分为三类。一、受拉构件；二、受压构件；三、压弯构件。以下每类杆件均举例说明计算过程，其余不再列出。另在结构中还存在拉弯和受剪构件，因其对结构影响较小，在此忽略不计。一受拉构件，以单元1为例AtfF=30255=8.5mm2选截面2×6mm的杆件二受压构件，以单元23为例试选5×6杆件i=AI=62.5/30=2.1λ=i0l=192/2.1=133.0275ψ=3000/λ2=0.17AN/ψfc=3017.05.100ｘ＝19.7mm2选5×6杆件合适。三压弯构件，以单元10为例试选如图1-7截面图1-75由图1-7知：A=52mm2，Ix=497.33mm4，ix=3.093mm，Iy=169.33mm4，iy=1.81mm，Wx=hIX2=99.47由图1-1知：Lox=l0y=120mm强度验算：mXcWMANff＋=209.047.996.1267309.0526.282ｘｘ＋ｘｘ=0.981强度满足要求刚度验算：λx=Ix/ix=120/0.093=38.8[λ]=120λy=ly/iy=120/1.81=66.3[λ]=120刚度满足要求稳定性验算：A平面内K=)1(fcmAfNWM＋=309.0526.2821(209.047.996.1267ｘｘ＋ｘｘｘ=0.489Φm=（1-K）2=0.261Φ=1/[1＋(λ/80)2]=2)808.38(11＋=0.81N/(ΦΦmA)=52261.081.06.282ｘｘ=25.71N/mm2fc=30N/mm2B平面外N/(ΦyAfc)+[M/(ΦlNfm)]2=2)209.06.2826.1267(309.052593.06.282ｘｘ＋ｘｘｘ=0.41满足稳定性要求图1-7截面适合。其余各杆件算法与此相同，不再一一列出，以上公式皆取自《木结构设计规范GB50005—2003》。最6终各单元截面选择见附表10、11。2节点设计2.1节点构思经过实验，胶水粘结可以承受的力比材料本身的只强不弱，但考虑到构件用胶水粘结时，接触面积较小，为增加构件之间粘结强度，用1×55mm木板做成垫片，辅助粘结。同样原理，细杆与其他杆件连接时，不用正面粘结，而用侧面。且为增加胶结强度，特别对结点粘结处进行砂纸打磨处理，以增加其摩擦力。并对于多结点交接处，滴加更多胶水，以增加粘结力。2.2节点详图图2-1节点1实际详图图2-2节点2实际详图7图2-3节点6实际详图3设计总结①结构整体采用桁架结构，既满足受力均匀的要求，同时又保证了计算、施工的方便；②计算过程利用结构力学求解器软件，使结果更准确，为设计提供了有效依据；③交点多的节点，采用1×55mm薄片做垫片，既充分利用了材料，又使节点承载力有了显著提高；④桥梁中只承受拉力的单元做到了足够多，此设计较多的减少了桥身自重；⑤施工精细，节点、杆件处理分毫不差，每根杆件都根据连接做出相应角度坡口，真正地诠释了桥梁的名字“步步精心”。4破坏分析①动荷载影响可能估计不足，实际加载过程中，可能因此破坏；②节点胶水过少，或者因温度变化开裂，造成粘结强度降低；③木材本身有结点，截面削弱，虫眼等因素；④结构不对称，加载时整体失稳，发生脆性破坏。8附录附表1Q1作用在单元13和14，Q2作用在单元5和6（见图附-1）单元码杆端1杆端2轴力N剪力N弯矩N.mm轴力N剪力N弯矩N.mm177.490.000.0077.490.000.30266.000.000.3066.000.000.00382.110.010.0082.110.011.604108.95-0.011.60108.95-0.010.005-100.56-8.790.00-100.5610.71115.626-100.56-9.94115.62-100.569.5692.447-58.76-1.4292.44-58.760.0812.478-58.76-1.1512.47-58.760.35-36.099-72.75-0.25-36.09-72.751.2523.5410-72.75-1.2823.54-72.750.22-40.6011-81.44-0.76-40.60-81.440.74-41.8812-81.442.64-41.88-81.444.14365.5013-203.18-26.66365.50-203.1828.84496.3314-203.18-31.89496.33-203.1823.610.0015220.120.030.00220.120.033.3616141.22-0.013.36141.22-0.010.0017-60.730.000.00-60.730.000.001878.890.000.0078.890.000.0019-78.310.000.00-78.310.000.00206.330.000.006.330.000.0021-7.580.000.00-7.580.000.002210.820.000.0010.820.000.0023-11.580.000.00-11.580.000.0024-27.270.000.00-27.270.000.002526.830.000.0026.830.000.0026-20.660.000.00-20.660.000.0027-1.240.000.00-1.240.000.0028-2.530.000.00-2.530.000.00291.910.000.001.910.000.009附表2Q1作用在单元12和13，Q2作用在单元6和7（见图附-2）单元码杆端1杆端2轴力N剪力N弯矩N.mm轴力N剪力N弯矩N.mm1139.720.000.00139.720.000.542117.260.000.54117.260.000.003137.210.010.00137.210.012.044145.53-0.022.04145.53-0.020.005-134.33-1.910.00-134.33-0.41-139.456-134.33-6.83-139.45-134.3312.67210.637-106.04-9.91210.63-106.049.59191.868-106.04-3.37191.86-106.04-1.87-122.999-130.670.87-122.99-130.672.3771.4810-130.67-3.0971.48-130.67-1.59-209.3111-153.854.76-209.31-153.856.26452.1612-153.85-24.77452.16-153.8530.73809.4613-237.73-35.76809.46-237.7319.74-151.6414-237.730.51-151.64-237.732.010.0015257.560.030.00257.560.033.7016232.60-0.013.70232.60-0.010.0017-19.230.000.00-19.230.000.001824.940.000.0024.940.000.0019-97.430.000.00-97.430.000.002022.620.000.0022.620.000.0021-14.490.000.00-14.490.000.002221.470.000.0021.470.000.0023-17.960.000.00-17.960.000.0024-33.000.000.00-33.000.000.00258.310.000.008.310.000.0026-6.420.000.00-6.420.000.0027-12.970.000.00-12.970.000.0028-5.460.000.00-5.460.000.0029-31.030.000.00-31.030.000.0010附表3Q1作用在单元11和12，Q2作用在单元7和8（见图附-3）单元码杆端1杆端2轴力N剪力N弯矩N.mm轴力N剪力N弯矩N.mm1205.960.000.00205.960.000.802170.050.000.80170.050.000.003164.870.010.00164.870.012.174161.26-0.022.17161.26-0.020.005-148.85-3.060.00-148.85-1.56-277.456-148.851.19-277.45-148.852.69-44.287-146.31-6.05-44.28-146.3113.45400.138-146.31-12.92400.13-146.316.5819.949-187.32-1.5119.94-187.32-0.01-71.1610-187.321.70-71.16-187.323.20222.8211-205.39-20.82222.82-205.3934.681054.4212-205.39-35.461054.42-205.392